Gaura neagră Kerr-Newman

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Dintre diferitele tipuri de găuri negre prezise de teoria relativității generale , cele ale lui Kerr - Newman sunt cele mai generale, luând în considerare toți cei trei parametri fizici pe care o gaură neagră îi amintește: masa , sarcina electrică și impulsul unghiular . O gaură neagră Kerr-Newman este deci ceea ce rămâne dintr-o stea masivă, care în procesele care au însoțit sfârșitul ciclului său de viață a păstrat o parte din impulsul unghiular și sarcina electrică.

Generalitate

Metrica care descrie geometria spațiului-timp în jurul unui corp ceresc similar poate fi dedusă din elementul de linie Kerr-Newman dat în coordonatele Boyer - Lindquist :

unde este destinat

cu J impulsul unghiular total și sarcină electrică Q.

Observați cum acest spațiu-timp este lăsat neschimbat prin inversarea simultană a dvs.

De asemenea, trebuie subliniat faptul că, în aceste coordonate, nu sunt coordonate sferice, deși tind spre ele în măsura în care gaura neagră nu se rotește: . Consultați elementul de coordonate Boyer-Lindquist pentru a afla mai multe.

Metrica Kerr - Newman are singularități coordonate pentru

  1. (axa de rotație)

și singularități esențiale (deci nu pot fi eliminate cu o schimbare a cardului coordonat) pentru

Singularități esențiale

asta inseamna (de fapt, dacă ar fi gaura neagră ar fi nerotabilă). „Forma” acestei singularități poate fi mai bine înțeleasă prin rescrierea elementului de linie în coordonatele Kerr-Schild (vezi metrica Kerr-Schild pentru informații suplimentare) care au și meritul de a elimina singularitatea de-a lungul axei de rotație, arătând că este coordonată. În aceste coordonate se scrie elementul de linie:

din care se vede și că pentru metrica devine cea plană Minkowski, așa cum era de așteptat. Amintiți-vă întotdeauna că coordonatele Kerr-Schild nu sunt coordonate carteziene; sunt implicit legate de coordonată Boyer-Linquist din relația:

ceea ce face clar cum sunt identificabile cu coordonatele carteziene numai dacă .

Suprafețele identificate prin relația de mai sus sunt elipse confocale, care degenerează prin în ring

(Rețineți că deoarece între cele două coordonate zer există o relație identică cu cea pe care o avem atunci când avem de-a face cu coordonatele carteziene și sferice omoloage: )

Prin urmare, putem concluziona că pentru o gaură neagră Kerr-Newman, oricare ar fi valorile diferite de zero ale celor trei parametri (M, Q, a) există o singularitate esențială; nu în formă de punct (așa cum a fost pentru găurile negre Schwarzschild ), ci „în formă de inel” de rază și culcat în „planul” ecuatorial.

Singularități coordonate și orizonturi de evenimente

Să luăm acum în considerare singularitățile coordonate, care sunt obținute din . Va fi mai bine să scrieți:

în care este definit

datorită prezenței radicalului trebuie să se facă distincția între trei cazuri, în funcție de mărimea relativă a celor trei parametri ai găurii negre.

Caz

în acest caz nu există soluții reale ale ecuației , gaura neagră nu are orizont de evenimente . Prin urmare, singura singularitate coordonată va rămâne , fără a aduce atingere prezenței singularității inelului esențial. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că tocmai absența unui orizont de eveniment ar permite unui observator amplasat foarte departe de gaura neagră de-a lungul ecuatorului său să vadă singularitatea inelului ( singularitatea goală ). Această posibilitate este exclusă de conjectura cenzorului cosmic al lui Roger Penrose , care afirmă pe scurt că singularitățile goale nu pot fi create din prăbușiri stelare (cu toate acestea, singularitățile goale formate în timpul big bang rămân posibile). Chiar dacă conjectura (nedovedită) a lui Penrose nu este acceptată; este posibil să se demonstreze că, având în vedere o gaură neagră de acest tip, cu o singularitate goală, ar fi posibil să se realizeze o traiectorie circulară în apropierea singularității inelului și să se regăsească la punctul de plecare la un moment anterior acestuia, încălcând astfel principiul de cauzalitate . Prin urmare, trebuie presupus că în timpul fazelor de formare a găurii negre, pierde suficient impuls unghiular și sarcină electrică pentru a nu satisface relația

Caz

În acest caz, există două rădăcini reale ale ecuației , văzute înainte și, prin urmare, două orizonturi ale evenimentelor. Puteți vedea că această singularitate este coordonată trecând de exemplu la coordonate , cu:

Ergosfera

Metrica Kerr-Newman nu depinde de timp ( spațiu-timp staționar ) și nici de unghi ( spațiu-timp cu simetrie axială ). Aceasta se exprimă matematic spunând că metrica are două câmpuri de ucidere . Le vom indica cu:

Aproximativ vorbind, referindu-ne la coordonatele ciclice ale mecanicii clasice , ne putem imagina prima ca o traducere a timpului, iar a doua ca o rotație față de axa z. Să luăm în considerare domeniul , puteți vedea că modulul său cadru merită:

Această cantitate este mai mică decât zero, pentru r suficient de mare și, prin urmare, acest vector este de tip timp, departe de gaura neagră. Cu toate acestea, este suficient de ușor să vedeți cum devine mai mare decât zero pentru .

Suprafața definită de se numește ergosferă . Observați cum se află dincolo de orizontul evenimentelor , cu care traversează în direcția polilor. Regiunea dintre orizont iar ergosfera, se numește ergoregiune și are proprietatea că în interiorul ei vectorul Killing asociat cu invarianța timpului este de tipul spațiului. Aceasta înseamnă, nu strict vorbind, că în ergoregiune spațiul-timp nu mai este staționar, deoarece nu mai există o bună coordonată temporală.

Să vedem ce se poate spune mai exact. Din teoria relativității se știe că particulele se mișcă de-a lungul curbelor în așa fel încât viteza lor de patru este întotdeauna de tipul timpului: ( Convenția lui Einstein privind indicii repetați se menține).

Se verifică cu ușurință că toți termenii însumării sunt pozitivi în ergoregiune, cu excepția

unde τ este timpul de-a lungul curbei. Acest termen nu poate fi nul, altfel nu ar fi posibil să se obțină un rezultat negativ din însumare, deoarece toate celelalte adunări sunt pozitive. În special, trebuie să fie:

(o analiză mai profundă ar arăta că, mai exact, avem ).

Este ca și cum ați spune că în ergoregiune particulele nu pot rămâne în niciun caz nemișcate în ceea ce privește gaura neagră, ci sunt forțate să se învârtă în jurul ei. Această imposibilitate poate fi asociată cu faptul că în realitate spațiul-timp în sine este cel care se rotește în ergoregiune, ceea ce explică și pierderea staționarității.

Caz - Extrem Kerr-Newman

Pentru această relație dintre parametri ecuația are o singură soluție pentru

iar gaura neagră are deci un singur orizont de evenimente. Considerațiile anterioare privind ergosfera și ergoregiunea rămân valabile.

Bibliografie motivată

Cartea de referință pentru erudiții relativității:
Gravitație , Kip S. Thorne , Charles W. Misner, John A. Wheeler

Un studiu excelent al găurilor negre KN se realizează în:
Relativitatea generală Robert M. Wald

O carte care colectează toate soluțiile cunoscute pentru ecuațiile lui Einstein:
Soluții exacte ale ecuațiilor de câmp ale lui Einstein , H. Stephani

Cartea care într-o formă simplificată dar riguroasă ilustrează studii asupra găurilor negre și a singularităților respective cu diagrame geometrice, cum ar fi cele din Penrose care arată proprietățile astronomice și efectele maselor, momentelor unghiulare și sarcinilor corpurilor Kerr:

de William J. Kaufmann „Noile frontiere ale astronomiei” Sansoni Editore 1980.

Bibliografie

  • ( EN ) Robert Wald, General Relativity , Chicago, The University of Chicago Press, 1984, pp. 312-324, ISBN 0-226-87032-4 .

Elemente conexe

linkuri externe