stringtranslate.com

Вращающаяся черная дыра

Вращающаяся черная дыра — это черная дыра , обладающая угловым моментом . В частности, она вращается вокруг одной из своих осей симметрии.

Все небесные тела – планеты , звезды ( Солнце ), галактики , черные дыры – вращаются. [1] [2] [3]

Границы черной дыры Керра, имеющие отношение к астрофизике. Обратите внимание, что физических «поверхностей» как таковых не существует. Границы — это математические поверхности или наборы точек в пространстве-времени, имеющие отношение к анализу свойств и взаимодействий черной дыры. [4] : 35 

Типы черных дыр

Существует четыре известных точных решения для черных дыр уравнений поля Эйнштейна , которые описывают гравитацию в общей теории относительности . Два из них вращаются: черные дыры Керра и Керра–Ньюмена. Обычно считается, что каждая черная дыра быстро распадается до стабильной черной дыры; и, по теореме об отсутствии волос , (за исключением квантовых флуктуаций) стабильные черные дыры могут быть полностью описаны в любой момент времени этими 11 числами:

В то время как с точки зрения падающего наблюдателя погружение во вращающуюся черную дыру происходит за конечное собственное время и с очень большой скоростью (слева), с точки зрения координатного наблюдателя на бесконечности они замедляются , приближаясь к нулевой скорости на горизонте относительно неподвижного зонда на месте, при этом вечно вращаясь вокруг эффекта увлечения черной дыры системой отсчета (справа).
Орбита прямого движения вокруг черной дыры, вращающаяся с параметром спина a/M=0,9.

Эти числа представляют собой сохраняющиеся атрибуты объекта, которые можно определить на расстоянии, исследуя его электромагнитные и гравитационные поля. Все остальные вариации в черной дыре либо уйдут в бесконечность, либо будут поглощены черной дырой. Это происходит потому, 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:

Обратите внимание, что астрофизические черные дыры, как ожидается, будут иметь ненулевой угловой момент из-за их образования посредством коллапса вращающихся звездных объектов, но фактически нулевой заряд, поскольку любой чистый заряд быстро притянет противоположный заряд и нейтрализуется. По этой причине термин «астрофизическая» черная дыра обычно зарезервирован для черной дыры Керра. [5]

Формирование

Вращающиеся черные дыры образуются в результате гравитационного коллапса массивной вращающейся звезды или в результате коллапса или столкновения совокупности компактных объектов, звезд или газа с общим ненулевым угловым моментом. Поскольку все известные звезды вращаются , а реалистичные 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 сообщили об оценках скорости вращения черных дыр в The Astrophysical Journal . Черная дыра в Млечном Пути, GRS 1915+105 , может вращаться со скоростью 1150 раз в секунду, [6] приближаясь к теоретическому верхнему пределу.

Связь с гамма-всплесками

Считается , что образование вращающейся черной дыры коллапсаром наблюдается как испускание гамма-всплесков .

Превращение в черную дыру Шварцшильда

Вращающаяся черная дыра может производить большое количество энергии за счет своей вращательной энергии. [7] [8] Это может происходить посредством процесса Пенроуза внутри эргосферы черной дыры , в объеме за пределами ее горизонта событий. [9] В некоторых случаях извлечения энергии вращающаяся черная дыра может постепенно свестись к черной дыре Шварцшильда, минимальной конфигурации, из которой больше нельзя извлечь энергию, хотя скорость вращения черной дыры Керра никогда не достигнет нуля. [10]

Метрика Керра, метрика Керра–Ньюмана

Вращающаяся черная дыра с точки зрения удаленного наблюдателя. Разные кадры показывают черную дыру с разных ракурсов.

Вращающаяся черная дыра является решением уравнения поля Эйнштейна . Существуют два известных точных решения, метрика Керра и метрика Керра–Ньюмена , которые, как полагают, представляют все решения вращающейся черной дыры во внешней области.

Вблизи черной дыры пространство искривляется так сильно, что световые лучи отклоняются, а очень близкий свет может отклоняться так сильно, что он несколько раз обходит черную дыру. 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 изгибается вокруг экваториальной плоскости черной дыры Керра, было опубликовано в 2021 году. [12]

В 2022 году было математически продемонстрировано, что равновесие, найденное Роем Керром в 1963 году, было устойчивым , и, следовательно, черные дыры, которые были решением уравнения Эйнштейна 1915 года, были устойчивыми. [13]

Переход состояния

Вращающиеся черные дыры могут находиться в двух температурных состояниях: нагревание (потеря энергии) и охлаждение. [14]

В популярной культуре

Черные дыры Керра широко представлены в визуальном романе 2009 года Steins;Gate (также по ТВ / манге ) из-за их возможностей в путешествиях во времени . [15] Однако они значительно увеличены для целей повествования. Черные дыры Керра также являются ключевыми для проекта «Лебединая песня» Джо Дэвиса . [16] [17] Они также являются ключевым элементом в фильме 2014 года «Интерстеллар » .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Почему и как вращаются планеты?". Scientific American . 14 апреля 2003 г.
  2. ^ ab Siegel, Ethan (1 августа 2019 г.). «Вот почему черные дыры должны вращаться почти со скоростью света». Forbes .
  3. ^ Уолти, Роберт (22 июля 2019 г.). «Говорят, что большинство черных дыр, вероятно, имеют спин. Что именно вращается?». Astronomy.com .
  4. ↑ Виссер, Мэтт (15 января 2008 г.). «Пространство-время Керра: краткое введение». arXiv : 0706.0622 [gr-qc].
  5. ^ Capelo, Pedro R. (2019). «Астрофизические черные дыры». Формирование первых черных дыр . стр. 1–22. arXiv : 1807.06014 . doi :10.1142/9789813227958_0001. ISBN 978-981-322-794-1. S2CID  119383808.
  6. ^ Хейс, Жаки (24 ноября 2006 г.). «Черная дыра вращается на пределе». Журнал Cosmos . Архивировано из оригинала 7 мая 2012 г.
  7. ^ Кромб, Мэрион; Гибсон, Грэм М.; Тонинелли, Эрмес; Паджетт, Майлз Дж.; Райт, Эван М.; Фаччио, Даниэль (2020). «Усиление волн от вращающегося тела». Nature Physics . 16 (10): 1069–1073. arXiv : 2005.03760 . Bibcode :2020NatPh..16.1069C. doi :10.1038/s41567-020-0944-3. S2CID  218571203.
  8. ^ Старр, Мишель (25 июня 2020 г.). «Спустя 50 лет эксперимент наконец показал, что энергию можно извлечь из черной дыры». Science Alert .
  9. ^ Уильямс, РК (1995). «Извлечение рентгеновских лучей, Ύ-лучей и релятивистских пар e − e + 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.
  10. ^ Коиде, Синдзи; Араи, Кензо (август 2008 г.). «Извлечение энергии из вращающейся черной дыры путем магнитного пересоединения в эргосфере». The Astrophysical Journal . 682 (2): 1124. arXiv : 0805.0044 . Bibcode :2008ApJ...682.1124K. doi :10.1086/589497. ISSN  0004-637X. S2CID  16509742.
  11. ↑ Communication, NBI (9 августа 2021 г.). «Датский студент решает, как Вселенная отражается вблизи черных дыр». nbi.ku.dk . Получено 23 июля 2022 г.
  12. ^ Снеппен, Альберт (9 июля 2021 г.). «Расходящиеся отражения вокруг фотонной сферы черной дыры». Scientific Reports . 11 (1): 14247. Bibcode :2021NatSR..1114247S. doi :10.1038/s41598-021-93595-w. ISSN  2045-2322. PMC 8270963 . PMID  34244573. 
  13. ^ Джорджи, Елена; Кляйнерман, Серджиу; Шефтель, Джереми (19 октября 2022 г.). Исследователь подкрепляет теорию Эйнштейна математикой (монография). Колумбийский университет . arXiv : 2205.14808 .
  14. ^ Дэвис, Пол CW (1989). «Термодинамические фазовые переходы черных дыр Керра-Ньюмена в пространстве де Ситтера». Классическая и квантовая гравитация . 6 (12): 1909–1914. Bibcode :1989CQGra...6.1909D. doi :10.1088/0264-9381/6/12/018. S2CID  250876065.
  15. ^ "想定科学『Steins;Gate(シュタインズゲート)』公式Webサイト" . steinsgate.jp (на японском языке) . Проверено 29 апреля 2020 г.
  16. ^ Хэй, Марк (23 июля 2020 г.). «Познакомьтесь с человеком, который пытается послать предупреждение о худших трагедиях в истории, произошедших в 1935 году». Mic.com .
  17. ^ "Летняя школа космического искусства. Летняя школа космического искусства с Джо Дэвисом" . Ютуб . 10 августа 2020 года. Архивировано из оригинала 22 декабря 2021 года.

Дальнейшее чтение