Вращающаяся черная дыра
Вращающаяся черная дыра — это черная дыра , обладающая угловым моментом . В частности, он вращается вокруг одной из своих осей симметрии.
Все небесные объекты – планеты , звезды ( Солнце ), галактики , черные дыры – вращаются. [1] [2] [3]
Типы черных дыр
[ редактировать ]Есть четыре известных точных решения уравнений поля Эйнштейна в виде черных дыр , которые описывают гравитацию в общей теории относительности . Две из них вращаются: черные дыры Керра и Керра-Ньюмана. Обычно считается, что каждая черная дыра быстро распадается до стабильной черной дыры; и по теореме об отсутствии волос , что (за исключением квантовых флуктуаций) стабильные черные дыры могут быть полностью описаны в любой момент времени этими 11 числами:
- масса-энергия M ,
- линейный импульс P (три компонента),
- угловой момент J (три компонента),
- позиция X (три компонента),
- электрический Q. заряд
Эти числа представляют собой сохранившиеся атрибуты объекта, которые можно определить на расстоянии, исследуя его электромагнитные и гравитационные поля. Все остальные вариации черной дыры либо убегут в бесконечность, либо будут поглощены черной дырой. Это связано с тем, что все, что происходит внутри горизонта черной дыры, не может повлиять на события за ее пределами.
С точки зрения этих свойств четыре типа черных дыр можно определить следующим образом:
| Невращающийся ( J = 0) | Вращающийся ( J > 0) | |
|---|---|---|
| Незаряженный ( Q = 0) | Шварцшильд | Керр |
| Заряжено ( Q ≠ 0) | Рейсснер – Нордстрем | Керр-Ньюман |
Обратите внимание, что астрофизические черные дыры, как ожидается, будут иметь ненулевой угловой момент из-за их образования в результате коллапса вращающихся звездных объектов, но фактически будут иметь нулевой заряд, поскольку любой суммарный заряд быстро притянет противоположный заряд и нейтрализует. По этой причине термин «астрофизическая» черная дыра обычно применяется к черной дыре Керра. [5]
Формирование
[ редактировать ]Вращающиеся черные дыры образуются в результате гравитационного коллапса массивной вращающейся звезды или в результате коллапса или столкновения группы компактных объектов, звезд или газа с общим ненулевым угловым моментом. Поскольку все известные звезды вращаются , а реальные столкновения имеют ненулевой угловой момент, ожидается, что все черные дыры в природе являются вращающимися черными дырами. [1] [2] Поскольку наблюдаемые астрономические объекты не обладают заметным чистым электрическим зарядом, только решение Керра имеет астрофизическое значение.
В конце 2006 года астрономы опубликовали оценки скорости вращения черных дыр в The Astrophysical Journal . Черная дыра в Млечном Пути, GRS 1915+105 , может вращаться 1150 раз в секунду. [6] приближается к теоретическому верхнему пределу.
Связь с гамма-всплесками
[ редактировать ]Считается , что образование вращающейся черной дыры коллапсаром наблюдается как испускание гамма-всплесков .
Преобразование в черную дыру Шварцшильда
[ редактировать ]Вращающаяся черная дыра может производить большое количество энергии за счет своей энергии вращения. [7] [8] Это может произойти посредством процесса Пенроуза черной дыры внутри эргосферы , в объеме за пределами ее горизонта событий. [9] В некоторых случаях извлечения энергии вращающаяся черная дыра может постепенно превратиться в черную дыру Шварцшильда, минимальную конфигурацию, из которой невозможно извлечь дальнейшую энергию, хотя скорость вращения черной дыры Керра никогда не достигнет нуля. [10]
Метрика Керра, метрика Керра – Ньюмана
[ редактировать ]
Вращающаяся черная дыра является решением уравнения поля Эйнштейна . Есть два известных точных решения: метрика Керра и метрика Керра-Ньюмана , которые, как полагают, являются репрезентативными для всех решений вращающихся черных дыр во внешней области.
Вблизи черной дыры пространство искривляется так сильно, что лучи света отклоняются, а очень близкий свет может отклоняться настолько, что он несколько раз проходит вокруг черной дыры. Следовательно, когда мы наблюдаем далекую фоновую галактику (или какое-либо другое небесное тело), нам может повезти увидеть одно и то же изображение галактики несколько раз, хотя и все более и более искаженное. [11] Полное математическое описание того, как свет огибает экваториальную плоскость черной дыры Керра, было опубликовано в 2021 году. [12]
В 2022 году было математически продемонстрировано, что равновесие, найденное Роем Керром в 1963 году, было стабильным и, следовательно, черные дыры, которые были решением уравнения Эйнштейна 1915 года, были стабильными. [13]
Государственный переход
[ редактировать ]Вращающиеся черные дыры имеют два температурных состояния, в которых они могут существовать: нагревание (теря энергии) и охлаждение. [14]
В популярной культуре
[ редактировать ]Черные дыры Керра широко представлены в визуальном романе 2009 года «Штайнс;Врата » (также ТВ / манга ) из-за их возможностей путешествовать во времени . [15] Однако они значительно увеличены для целей рассказывания историй.Черные дыры Керра также являются ключом к проекту Джо Дэвиса «Лебединая песня» . [16] [17] Они также являются ключевым элементом фильма « Интерстеллар» 2014 года .
См. также
[ редактировать ]- Бомба черной дыры
- Параметр вращения черной дыры
- черной дыры Спин-флип
- Сингулярность BKL - решение, представляющее внутреннюю геометрию черных дыр, образовавшихся в результате гравитационного коллапса.
- Эргосфера
- Черные дыры Керра как червоточины
- Процесс Пенроуза
- Кольцевая особенность
- Звездные черные дыры
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б «Почему и как вращаются планеты?» . Научный американец . 14 апреля 2003 г.
- ^ Перейти обратно: а б Итан Сигел (1 августа 2019 г.). «Вот почему черные дыры должны вращаться почти со скоростью света» . Форбс .
- ^ Роберт Уолти (22 июля 2019 г.). «Говорят, что большинство черных дыр, вероятно, обладают вращением. Что именно вращается?» . astronomy.com .
- ^ Виссер, Мэтт (15 января 2008 г.). «Пространство-время Керра: краткое введение». arXiv : 0706.0622 [ gr-qc ].
- ^ Капело, Педро Р. (2019). «Астрофизические черные дыры». Образование первых черных дыр . стр. 1–22. arXiv : 1807.06014 . дои : 10.1142/9789813227958_0001 . ISBN 978-981-322-794-1 . S2CID 119383808 .
- ^ Хейс, Жаки (24 ноября 2006 г.). «Черная дыра вращается на пределе» . Журнал Космос . Архивировано из оригинала 7 мая 2012 года.
- ^ Кромб, Мэрион; Гибсон, Грэм М.; Тонинелли, Эрмес; Пэджетт, Майлз Дж.; Райт, Юэн М.; Фаччо, Даниэле (2020). «Усиление волн от вращающегося тела». Физика природы . 16 (10): 1069–1073. arXiv : 2005.03760 . Бибкод : 2020NatPh..16.1069C . дои : 10.1038/s41567-020-0944-3 . S2CID 218571203 .
- ^ Мишель Старр (25 июня 2020 г.). «Спустя 50 лет эксперимент наконец показал, что энергию можно извлечь из черной дыры» .
- ^ Уильямс, РК (1995). «Извлечение рентгеновских лучей, Ύ-лучей и релятивистских e − и + пары из сверхмассивных черных дыр Керра с использованием механизма Пенроуза». Physical Review D. 51 ( 10): 5387–5427. Bibcode : 1995PhRvD..51.5387W . doi : 10.1103/PhysRevD.51.5387 . PMID 10018300 .
- ^ Койде, Синдзи; Арай, Кензо (август 2008 г.). «Извлечение энергии из вращающейся черной дыры путем магнитного пересоединения в эргосфере» . Астрофизический журнал . 682 (2): 1124. arXiv : 0805.0044 . Бибкод : 2008ApJ...682.1124K . дои : 10.1086/589497 . ISSN 0004-637X . S2CID 16509742 .
- ^ Связь, НБИ (9 августа 2021 г.). «Датский студент выяснил, как Вселенная отражается вблизи черных дыр» . nbi.ku.dk . Проверено 23 июля 2022 г.
- ^ Снеппен, Альберт (9 июля 2021 г.). «Расходящиеся отражения вокруг фотонной сферы черной дыры» . Научные отчеты . 11 (1): 14247. Бибкод : 2021NatSR..1114247S . doi : 10.1038/s41598-021-93595-w . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 8270963 . ПМИД 34244573 .
- ^ Георгий, Елена; Клайнерман, Сергей; Сефтель, Джереми (19 октября 2022 г.). Исследователь подкрепляет теорию Эйнштейна математикой (монография). Колумбийский университет . arXiv : 2205.14808 .
- ^ Дэвис, Пол К.В. (1989). «Термодинамические фазовые переходы черных дыр Керра-Ньюмана в пространстве де Ситтера». Классическая и квантовая гравитация . 6 (12): 1909–1914. Бибкод : 1989CQGra...6.1909D . дои : 10.1088/0264-9381/12.06.018 . S2CID 250876065 .
- ^ «Предполагаемый научный сайт Steins;Gate» ( steinsgate.jp на японском языке) , дата обращения 29 апреля 2020 г. .
- ^ Марк Хэй (23 июля 2020 г.). «Познакомьтесь с человеком, пытающимся предупредить о худших трагедиях в истории, произошедших в 1935 году» . Микрофон .
- ^ "Летняя школа космического искусства. Summer School of Space Art with Joe Davis" . YouTube . 10 August 2020. Archived from the original on 22 December 2021.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Миснер, CW; Торн, Канзас; Уиллер, Дж. А. (1973). Гравитация (2-е изд.). У. Х. Фриман.
- Макви, Джон В. (1990). Путешествие во времени . Дом Скарборо.
- Мелия, Фульвио (2007). Галактическая сверхмассивная черная дыра . Принстон Ю Пресс.
- Брахма, Суддхасаттва; Чен, Че-Ю; Ём, Дон Хан (2021). «Тестирование петлевой квантовой гравитации на основе последствий наблюдений несингулярно вращающихся черных дыр». Письма о физических отзывах . 126 (18): 181301. arXiv : 2012.08785 . Бибкод : 2021PhRvL.126r1301B . doi : 10.1103/PhysRevLett.126.181301 . ПМИД 34018784 . S2CID 229188123 .
