Обертальна чорна діра

Обертальна чорна діра — це чорна діра, яка має кутовий момент та обертається навколо однієї зі своїх осей симетрії.

Як відомо, усі небесні тіла (планети, зорі (Сонце), галактики, чорні діри) – обертаються. [1] [2] [3]У загальній теорії відносності обертальна чорна діра описується за допомогою метрики Керра, яка враховує не тільки масу чорної діри, але й її кутовий момент. Обертальні чорні діри відрізняються від необертальних тим, що вони мають збільшену область навколо чорної діри, в якій можливий рух частинок з енергією та кутовим моментом, який може бути визначений за допомогою процесу Пенроуза.

Зображення межі Керрівської чорної діри. Зверніть увагу, що немає фізичних "поверхонь" як таких. Межі є математичними поверхнями або множинами точок в просторі-часі, які важливі для аналізу властивостей та взаємодій чорної діри.

Види чорних дір

Існує чотири відомих точних розв'язки рівнянь гравітаційного поля Ейнштейна, які описують гравітацію в загальній теорії відносності. Обертаються лише два типи: чорні діри Керра та Керра–Ньюмена. Загальноприйнято вважати, що кожна чорна діра швидко розпадається до стабільної чорної діри і за теоремою відсутністі волосся, а також, за винятком квантових флуктуацій, стабільні чорні діри можуть бути повністю описані в будь-який момент часу 11 параметрами:

Ліворуч зображена модель, де з точки зору падаючого об'єкта, занурення в обертальну чорну діру відбувається за кінцевий власний час і з дуже високою швидкістю. Праворуч модель, де з точки зору спостерігача у координатній системі, швидкість руху об'єктів, що падають до горизонту подій чорної діри,сповільнюються, наближаючись до нульової швидкості. На горизонті відносно стаціонарний об'єкт залишається на місці, тоді як об'єкти безкінечно обертаються навколо чорної діри під впливом ефекту перетягування чорної діри.
Орбіта з прямим напрямком руху навколо обертальної чорної діри з параметром обертання a/M=0,9.

Ці параметри представляють збережені властивості об'єкта, які можна визначити з відстані, розглядаючи його електромагнітні та гравітаційні поля. Всі інші відмінності в чорній дірі або вибігають до нескінченності, або поглинаються чорною дірою. Це обгрунтовується інформаційним парадоксом чорної діри, котрий зазначає що будь-що, що відбувається всередині горизонту подій чорної діри, не може вплинути на події за її межами.

З точки зору властивостей чорних дір можна визначити тип за наступною таблицею:

Не обертається( Дж = 0) Обертається( Дж > 0)
Не заряджена ( Q = 0) метрика Шварцшильд метрика Керра
Заряджена ( Q ≠ 0) метрика Райснер–Нордстрема метрика Керра–Ньюмена

Очікується, що астрофізичні чорні діри матимуть ненульовий кутовий момент, через їх формування в результаті колапсу обертальних зоряних об'єктів, але фактично електричний заряд дорівнює нулю, оскільки будь-який чистий заряд швидко притягує протилежний заряд і нейтралізується. Через це термін "астрофізична" чорна діра зазвичай зарезервований для чорної діри Керра. [4]

Формування

Обертальні чорні діри утворюються в результаті гравітаційного колапсу масивної обертальної зорі, або в результаті колапсу чи зіткнення набору компактних об’єктів, зірок або газу, з сумарним ненульовим кутовим моментом. Оскільки всі відомі зорі обертаються, а реалістичні зіткнення мають відмінний від нуля кутовий момент, очікується, що всі чорні діри в природі є обертальними [1] [2] Оскільки спостережувані астрономічні об’єкти не мають значного сумарного електричного заряду, лише метрика Керра має астрофізичне значення.

Наприкінці 2006 року астрономи повідомили про оцінки швидкості обертання чорних дір у The Astrophysical Journal . Чорна діра в Чумацькому Шляху, GRS 1915+105, може обертатися 1150 разів на секунду [5], наближаючись до теоретичної верхньої межі.

Зв'язок з гамма-спалахами

Вважається, що під час випромінювання гамма-спалахів можна спостерігати утворення обертальної чорної діри колапсаром.

Перетворення на чорну діру Шварцшильда

[6] Обертальна чорна діра може виробляти велику кількість енергії за рахунок енергії обертання. [7] [8] Це відбувається через процес Пенроуза в ергосфері чорної діри, області, розташованій безпосередньо за її горизонтом подій. У такому разі обертальна чорна діра поступово зменшується до чорної діри Шварцшильда - мінімальної конфігурації, з якої не можна далі видобути енергію, хоча швидкість обертання чорної діри Керра ніколи не досягне нуля.

Метрика Керра, метрика Керра–Ньюмена

Обертальна чорна діра з точки зору віддаленого спостерігача.

Чорна діра, що обертається, є розв’язком рівняння поля Ейнштейна . Є два відомі точні розв’язки, метрика Керра та метрика Керра–Ньюмена, які, як вважають, є репрезентативними для всіх розв’язків обертальної чорної діри у зовнішній області.

Поблизу чорної діри простір викривляється настільки, що світлові промені відхиляються, а світло, розташоване дуже близько, може відхилятися настільки, що кілька разів обертається навколо чорної діри. Отже, спостерігається віддалена фонова галактика (або якесь інше небесне тіло), може пощастити побачити одне й те саме зображення галактики кілька разів, хоча більш спотворене. [9] Повний математичний опис того, як світло огинається навколо екваторіальної площини чорної діри Керра, був опублікований у 2021 році [10]

У 2022 році було математично продемонстровано, що рівновага, знайдена Керром у 1963 році, була стабільною, а отже, чорні діри, які були рішенням рівняння Ейнштейна 1915 року, були стабільними. [11]

Перехід стану

Обертальні чорні діри мають два температурні стани, в яких вони можуть перебувати: нагрівання (втрата енергії) і охолодження. У 1989 році Пол Девіс стверджував, що перехід між двома станами відбувається, коли квадрат відношення маси чорної діри до кутового моменту в одиницях Планка дорівнює золотому перерізу. [12] Це твердження пізніше було визнано невірним і суперечить попереднім роботам Пола Девіса. [13]

У масовій культурі

Чорні діри Керра широко описані у візуальному романі 2009 року Steins;Gate (також ТБ / манга ) через їхні можливості подорожувати в часі . [14] Однак вони значно збільшені з метою оповідання. Чорні діри Керра також є ключовими для проекту «Лебедина пісня» Джо Девіса (художник) . [15] [16]

Дивіться також

Список літератури

  1. ↑ а б Why and how do planets rotate?. Scientific American. 14 квітня 2003.
  2. ↑ а б Ethan Siegel (1 серпня 2019). This Is Why Black Holes Must Spin At Almost The Speed Of Light. Forbes.
  3. ↑ Robert Walty (22 липня 2019). It is said that most black holes likely have spin. What exactly is it that spins?. astronomy.com.
  4. ↑ Capelo, Pedro R. (2019). Astrophysical black holes. Formation of the First Black Holes. с. 1—22. arXiv:1807.06014. doi:10.1142/9789813227958_0001. ISBN 978-981-322-794-1.
  5. ↑ Hayes, Jacqui (24 листопада 2006). Black hole spins at the limit. Cosmos magazine. Архів оригіналу за 7 травня 2012.
  6. ↑ Koide, Shinji; Arai, Kenzo (August 2008). Energy Extraction from a Rotating Black Hole by Magnetic Reconnection in the Ergosphere. The Astrophysical Journal (англ.). 682 (2): 1124. arXiv:0805.0044. doi:10.1086/589497. ISSN 0004-637X.
  7. ↑ Cromb, Marion; Gibson, Graham M.; Toninelli, Ermes; Padgett, Miles J.; Wright, Ewan M.; Faccio, Daniele (2020). Amplification of waves from a rotating body. Nature Physics. 16 (10): 1069—1073. arXiv:2005.03760. doi:10.1038/s41567-020-0944-3.
  8. ↑ Michelle Starr (25 червня 2020). After 50 Years, Experiment Finally Shows Energy Could Be Extracted From a Black Hole.
  9. ↑ Communication, N. B. I. (9 серпня 2021). Danish Student solves how the Universe is reflected near black holes. nbi.ku.dk (англ.). Процитовано 23 липня 2022.
  10. ↑ Sneppen, Albert (9 липня 2021). Divergent reflections around the photon sphere of a black hole. Scientific Reports (англ.). 11 (1): 14247. Bibcode:2021NatSR..1114247S. doi:10.1038/s41598-021-93595-w. ISSN 2045-2322. PMC 8270963. PMID 34244573.
  11. ↑ Giorgi, Elena; Klainerman, Sergiu; Szeftel, Jeremie (19 жовтня 2022). A Researcher Shores Up Einstein's Theory With Math. Columbia University. arXiv:2205.14808.
  12. ↑ Davies, Paul C. W. (1989). Thermodynamic phase transitions of Kerr-Newman black holes in de Sitter space. Classical and Quantum Gravity. 6 (12): 1909—1914. Bibcode:1989CQGra...6.1909D. doi:10.1088/0264-9381/6/12/018.
  13. ↑ Baez, John C. (28 лютого 2013). Black Holes and the Golden Ratio. Azimuth. Процитовано 26 липня 2019.
  14. ↑ 想定科学『Steins;Gate(シュタインズゲート)』公式Webサイト. steinsgate.jp (яп.). Процитовано 29 квітня 2020.
  15. ↑ Mark Hay (23 липня 2020). Meet the man trying to send a warning about history's worst tragedies back to 1935. Mic.
  16. ↑ Летняя школа космического искусства. Summer School of Space Art with Joe Davis. YouTube. 10 серпня 2020. Архів оригіналу за 3 березня 2023. Процитовано 3 березня 2023.

Подальше читання