Lỗ đen quay và tích điện

Các lỗ đen thực tế thường quay, và nghiệm Kerr mô tả các lỗ đen quay, cùng với các tổng quát hóa tích điện của nó, thể hiện những đặc điểm mới không có trong trường hợp Schwarzschild, bao gồm một vùng công suất (ergosphere) và hiện tượng kéo hệ quy chiếu (frame dragging).

Definition

Các lỗ đen quay và tích điện là các nghiệm dừng của phương trình Einstein (và Einstein-Maxwell) được đặc trưng bởi khối lượng cùng với mômen động lượng và điện tích, với hình học của chúng có đặc điểm là kéo các hệ quy chiếu quán tính và, đối với các trường hợp quay, một vùng công suất bên ngoài chân trời sự kiện.

Scope

Chủ đề này bao gồm metric Kerr cho các lỗ đen quay, nghiệm Reissner-Nordstrom cho các lỗ đen tích điện, và metric Kerr-Newman kết hợp cả hai; nó đề cập đến vùng công suất và quá trình Penrose để trích xuất năng lượng, hiện tượng kéo hệ quy chiếu, các chân trời bên trong và bên ngoài, giới hạn cực trị, và vai trò trung tâm của các nghiệm này trong vật lý thiên văn.

Core questions

• Sự tự quay làm thay đổi cấu trúc của một lỗ đen như thế nào so với Schwarzschild?
• Vùng công suất là gì và làm thế nào nó có thể được sử dụng để trích xuất năng lượng?
• Tại sao các lỗ đen vật lý thiên văn được cho là quay nhưng gần như không tích điện?

Key concepts

• Metric Kerr
• Metric Reissner-Nordstrom và Kerr-Newman
• Vùng công suất (Ergosphere)
• Kéo hệ quy chiếu (Frame dragging)
• Chân trời bên trong và bên ngoài
• Quá trình Penrose

Key theories

Hình học Kerr và hiện tượng kéo hệ quy chiếu

Metric Kerr mô tả một lỗ đen quay có mômen động lượng kéo không thời gian xung quanh nó, tạo ra một vùng công suất bên ngoài chân trời sự kiện mà bên trong đó không một quan sát viên nào có thể đứng yên.

Quá trình Penrose và trích xuất năng lượng

Bởi vì các hạt trong vùng công suất có thể có năng lượng âm so với vô cực, một quá trình phân tách hạt ở đó có thể trích xuất năng lượng quay từ lỗ đen, làm giảm độ tự quay của nó, một cơ chế làm nền tảng cho các mô hình tạo ra tia vật lý thiên văn.

Clinical relevance

Các lỗ đen vật lý thiên văn về cơ bản là không tích điện nhưng thường quay nhanh, vì vậy nghiệm Kerr chi phối động lực học của các đĩa bồi tụ, quỹ đạo tròn ổn định trong cùng xác định hiệu suất của đĩa, và độ tự quay được suy ra từ phổ tia X và từ sự suy giảm của tín hiệu sóng hấp dẫn.

History

Reissner và Nordstrom đã tìm ra nghiệm tích điện vào khoảng năm 1916-1918, nhưng trường hợp quay đã chống lại lời giải cho đến khi Kerr đột phá vào năm 1963; Newman và các cộng tác viên đã kết hợp điện tích và độ tự quay trong metric Kerr-Newman vào năm 1965, và quá trình Penrose để trích xuất năng lượng tiếp theo vào năm 1969.

Key figures

• Roy Kerr
• Roger Penrose
• Hans Reissner
• Ezra Newman

Seminal works

• kerr1963
• wald1984

Frequently asked questions

Tại sao các lỗ đen thực tế được giả định là không tích điện?

Bất kỳ điện tích ròng nào trên một lỗ đen vật lý thiên văn sẽ nhanh chóng hút các điện tích trái dấu từ plasma xung quanh và trung hòa, vì vậy điện tích có thể bỏ qua về mặt động lực học; ngược lại, độ tự quay được bảo toàn và thường lớn, làm cho Kerr trở thành nghiệm thích hợp.

Kéo hệ quy chiếu là gì?

Kéo hệ quy chiếu là sự xoắn của không thời gian bởi một khối lượng quay, buộc các vật thể gần đó và thậm chí cả ánh sáng phải bị cuốn theo hướng quay; gần một lỗ đen Kerr, nó trở nên mạnh đến mức bên trong vùng công suất không có gì có thể đứng yên.