旋转黑洞和带电黑洞
真实的黑洞通常会自旋，描述旋转黑洞的克尔解及其带电推广展现出史瓦西黑洞所没有的新特征，包括能层和参考系拖曳。
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Definition
旋转黑洞和带电黑洞是爱因斯坦（和爱因斯坦-麦克斯韦）方程的稳态解，其特征是质量、角动量和电荷，其几何特征是惯性参考系的拖曳，对于旋转情况，在视界外存在能层。
Scope
本主题涵盖了描述旋转黑洞的克尔度规、描述带电黑洞的赖斯纳-诺德斯特伦解，以及结合两者的克尔-纽曼度规；它讨论了能层和彭罗斯过程的能量提取、参考系拖曳、内外视界、极端极限，以及这些解在天体物理学中的核心作用。
Core questions
- 与史瓦西黑洞相比，旋转如何改变黑洞的结构？
- 什么是能层，它如何用于提取能量？
- 为什么天体物理黑洞预计会旋转但几乎不带电？
Key concepts
- 克尔度规
- 赖斯纳-诺德斯特伦和克尔-纽曼度规
- 能层
- 参考系拖曳
- 内外视界
- 彭罗斯过程
Key theories
- 克尔几何和参考系拖曳
- 克尔度规描述了一个旋转黑洞，其角动量拖曳周围的时空，在事件视界外产生一个能层，在该区域内没有观察者可以保持静止。
- 彭罗斯过程和能量提取
- 由于能层中的粒子相对于无穷远可以具有负能量，因此在该区域分裂粒子的过程可以从黑洞中提取旋转能量，从而降低其自旋，这是天体物理喷流驱动模型的基础机制。
Clinical relevance
天体物理黑洞本质上不带电，但通常快速旋转，因此克尔解控制着吸积盘的动力学、决定吸积盘效率的最内稳定圆轨道，以及从X射线光谱和引力波信号的“振铃”中推断出的自旋。
History
赖斯纳和诺德斯特伦在大约1916-1918年发现了带电解，但旋转情况的解直到1963年克尔取得突破才得以解决；纽曼及其合作者于1965年在克尔-纽曼度规中结合了电荷和自旋，彭罗斯过程的能量提取则在1969年提出。
Key figures
- Roy Kerr
- Roger Penrose
- Hans Reissner
- Ezra Newman
Related topics
Seminal works
- kerr1963
- wald1984
Frequently asked questions
- 为什么真实的黑洞被认为是中性的？
- 天体物理黑洞上的任何净电荷都会迅速吸引周围等离子体中的异性电荷并中和，因此电荷在动力学上可以忽略不计；相比之下，自旋是守恒的且通常很大，这使得克尔解成为相关的解。
- 什么是参考系拖曳？
- 参考系拖曳是旋转质量对时空的扭曲，它迫使附近的物体甚至光线都沿着旋转方向被拖曳；在克尔黑洞附近，它在能层内部变得如此强大，以至于没有任何东西可以保持静止。