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Agujero negro giratorio

Un agujero negro giratorio es un agujero negro que posee un momento angular . En particular, gira alrededor de uno de sus ejes de simetría. Todos los objetos celestes ( planetas...

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Un agujero negro giratorio es un agujero negro que posee un momento angular . En particular, gira alrededor de uno de sus ejes de simetría.

Todos los objetos celestes ( planetas , estrellas ( Sol ), galaxias , agujeros negros) giran. [1] [2] [3]

Los límites de un agujero negro de Kerr son relevantes para la astrofísica. Nótese que no existen "superficies" físicas como tales. Los límites son superficies matemáticas, o conjuntos de puntos en el espacio-tiempo, relevantes para el análisis de las propiedades e interacciones del agujero negro. [4] : 35 

Tipos de agujeros negros

Existen cuatro soluciones conocidas y exactas de agujero negro para las ecuaciones de campo de Einstein , que describen la gravedad en la relatividad general . Dos de ellas rotan: los agujeros negros de Kerr y Kerr-Newman. En general, se cree que cada agujero negro se desintegra rápidamente en un agujero negro estable; y, por el teorema de la ausencia de pelo , que (excepto las fluctuaciones cuánticas) los agujeros negros estables pueden describirse completamente en cualquier momento del tiempo mediante estos 11 números:

Mientras que desde la perspectiva de un observador que cae, la caída en un agujero negro giratorio ocurre en un tiempo propio finito y con una rapidez muy alta (izquierda), desde la perspectiva de un observador de coordenadas en el infinito, se desaceleran , acercándose a la velocidad cero en el horizonte en relación con una sonda estacionaria en el sitio mientras giran para siempre por el efecto de arrastre de marco del agujero negro (derecha).
Órbita ligada prograda alrededor de un agujero negro que gira con un parámetro de espín de a/M=0,9.

Estos números representan los atributos conservados de un objeto, que pueden determinarse a distancia examinando sus campos electromagnéticos y gravitacionales. Todas las demás variaciones en el agujero negro escaparán al infinito o serán absorbidas por el agujero negro. Esto se debe a que cualquier cosa que suceda dentro del horizonte del agujero negro no puede afectar a los eventos que ocurren fuera de él.

En términos de estas propiedades, los cuatro tipos de agujeros negros pueden definirse de la siguiente manera:

Cabe señalar que se espera que los agujeros negros astrofísicos tengan un momento angular distinto de cero, debido a su formación a través del colapso de objetos estelares en rotación, pero una carga efectiva cero, ya que cualquier carga neta atraerá rápidamente la carga opuesta y se neutralizará. Por esta razón, el término agujero negro "astrofísico" generalmente se reserva para el agujero negro de Kerr. [5]

Formación

Los agujeros negros giratorios se forman en el colapso gravitacional de una estrella masiva que gira o a partir del colapso o colisión de un conjunto de objetos compactos, estrellas o gas con un momento angular total distinto de cero. Como todas las estrellas conocidas giran y las colisiones realistas tienen un momento angular distinto de cero, se espera que todos los agujeros negros de la naturaleza sean agujeros negros giratorios. [1] [2] Dado que los objetos astronómicos observados no poseen una carga eléctrica neta apreciable, solo la solución de Kerr tiene relevancia astrofísica.

A finales de 2006, los astrónomos publicaron en The Astrophysical Journal estimaciones de la velocidad de rotación de los agujeros negros . Un agujero negro de la Vía Láctea, GRS 1915+105 , puede rotar 1.150 veces por segundo, [6] acercándose al límite superior teórico.

Relación con los estallidos de rayos gamma

Se cree que la formación de un agujero negro giratorio por un colapsar se observa como la emisión de explosiones de rayos gamma .

Conversión en un agujero negro de Schwarzschild

Un agujero negro giratorio puede producir grandes cantidades de energía a expensas de su energía rotacional. [7] [8] Esto puede suceder a través del proceso de Penrose dentro de la ergosfera del agujero negro , en el volumen fuera de su horizonte de eventos. [9] En algunos casos de extracción de energía, un agujero negro giratorio puede reducirse gradualmente a un agujero negro de Schwarzschild, la configuración mínima de la que no se puede extraer más energía, aunque la velocidad de rotación del agujero negro de Kerr nunca llegará a cero. [10]

Métrica de Kerr, métrica de Kerr-Newman

Agujero negro en rotación desde la perspectiva del observador distante. Los distintos fotogramas muestran el agujero negro desde distintos ángulos.

Un agujero negro en rotación es una solución de la ecuación de campo de Einstein . Existen dos soluciones exactas conocidas, la métrica de Kerr y la métrica de Kerr-Newman , que se cree que son representativas de todas las soluciones de agujeros negros en rotación, en la región exterior.

En las proximidades de un agujero negro, el espacio se curva tanto que los rayos de luz se desvían, y la luz muy cercana puede desviarse tanto que viaja varias veces alrededor del agujero negro. Por lo tanto, cuando observamos una galaxia de fondo distante (o algún otro cuerpo celeste), podemos tener la suerte de ver la misma imagen de la galaxia varias veces, aunque cada vez más distorsionada. [11] En 2021 se publicó una descripción matemática completa de cómo se curva la luz alrededor del plano ecuatorial de un agujero negro de Kerr. [12]

En 2022, se demostró matemáticamente que el equilibrio encontrado por Roy Kerr en 1963 era estable y, por lo tanto, los agujeros negros, que eran la solución a la ecuación de Einstein de 1915, eran estables. [13]

Transición de estado

Los agujeros negros giratorios tienen dos estados de temperatura en los que pueden existir: calentamiento (pérdida de energía) y enfriamiento. [14]

Los agujeros negros de Kerr aparecen ampliamente en la novela visual de 2009 Steins;Gate (también serie de televisión / manga ), por sus posibilidades en los viajes en el tiempo . [15] Sin embargo, estos se magnifican en gran medida con el propósito de contar historias. Los agujeros negros de Kerr también son clave para el proyecto "Swan Song" de Joe Davis . [16] [17] También son un elemento clave en la película Interstellar de 2014 .

Véase también

Referencias

  1. ^ ab "¿Por qué y cómo giran los planetas?". Scientific American . 14 de abril de 2003.
  2. ^ ab Siegel, Ethan (1 de agosto de 2019). "Esta es la razón por la que los agujeros negros deben girar casi a la velocidad de la luz". Forbes .
  3. ^ Walty, Robert (22 de julio de 2019). "Se dice que la mayoría de los agujeros negros probablemente tienen giro. ¿Qué es exactamente lo que gira?". Astronomy.com .
  4. ^ Visser, Matt (15 de enero de 2008). "El espacio-tiempo de Kerr: una breve introducción". arXiv : 0706.0622 [gr-qc].
  5. ^ Capelo, Pedro R. (2019). "Agujeros negros astrofísicos". Formación de los primeros agujeros negros . págs. 1–22. arXiv : 1807.06014 . doi :10.1142/9789813227958_0001. ISBN 978-981-322-794-1. Número de identificación del sujeto  119383808.
  6. ^ Hayes, Jacqui (24 de noviembre de 2006). «Black hole spins at the limit» (El agujero negro gira al límite). Revista Cosmos . Archivado desde el original el 7 de mayo de 2012.
  7. ^ Cromb, Marion; Gibson, Graham M.; Toninelli, Ermes; Padgett, Miles J.; Wright, Ewan M.; Faccio, Daniele (2020). "Amplificación de ondas de un cuerpo giratorio". Nature Physics . 16 (10): 1069–1073. arXiv : 2005.03760 . Código Bibliográfico :2020NatPh..16.1069C. doi :10.1038/s41567-020-0944-3. S2CID  218571203.
  8. ^ Starr, Michelle (25 de junio de 2020). «Después de 50 años, un experimento finalmente demuestra que se puede extraer energía de un agujero negro». Science Alert .
  9. ^ Williams, RK (1995). "Extracción de rayos X, rayos Ύ y pares e − e + relativistas de agujeros negros supermasivos de Kerr utilizando el mecanismo de Penrose". Physical Review D . 51 (10): 5387–5427. Bibcode :1995PhRvD..51.5387W. doi :10.1103/PhysRevD.51.5387. PMID  10018300.
  10. ^ Koide, Shinji; Arai, Kenzo (agosto de 2008). "Extracción de energía de un agujero negro giratorio mediante reconexión magnética en la ergosfera". The Astrophysical Journal . 682 (2): 1124. arXiv : 0805.0044 . Bibcode :2008ApJ...682.1124K. doi :10.1086/589497. ISSN  0004-637X. S2CID  16509742.
  11. ^ Comunicación, NBI (9 de agosto de 2021). «Estudiante danés resuelve cómo se refleja el Universo cerca de los agujeros negros». nbi.ku.dk . Consultado el 23 de julio de 2022 .
  12. ^ Sneppen, Albert (9 de julio de 2021). "Reflexiones divergentes alrededor de la esfera de fotones de un agujero negro". Scientific Reports . 11 (1): 14247. Bibcode :2021NatSR..1114247S. doi :10.1038/s41598-021-93595-w. ISSN  2045-2322. PMC 8270963 . PMID  34244573. 
  13. ^ Giorgi, Elena; Klainerman, Sergiu; Szeftel, Jeremie (19 de octubre de 2022). Un investigador refuerza la teoría de Einstein con matemáticas (monografía). Universidad de Columbia . arXiv : 2205.14808 .
  14. ^ Davies, Paul CW (1989). "Transiciones de fase termodinámicas de agujeros negros de Kerr-Newman en el espacio de Sitter". Gravedad clásica y cuántica . 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 (en japonés) . Consultado el 29 de abril de 2020 .
  16. ^ Hay, Mark (23 de julio de 2020). "Conozca al hombre que intenta enviar una advertencia sobre las peores tragedias de la historia desde 1935". Mic.com .
  17. ^ "Летняя школа космического искусства. Escuela de verano de arte espacial con Joe Davis". YouTube . 10 de agosto de 2020. Archivado desde el original el 22 de diciembre de 2021.

Lectura adicional

  • Misner, Charles W .; Thorne, Kip S .; Wheeler, John Archibald (1973). Gravitación (27.ª ed.). Nueva York, NY: Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0.
  • Macvey, John W. (1990). Viajes en el tiempo . Scarborough House. ISBN 978-0-8128-3107-8.
  • Melia, Fulvio (2007). El agujero negro supermasivo galáctico . Princeton: Princeton Univ. ISBN 978-0-691-13129-0.
  • Brahma, Suddhasattwa; Chen, Che-Yu; Yeom, Dong-han (2021). "Prueba de la gravedad cuántica de bucles a partir de las consecuencias observacionales de agujeros negros giratorios no singulares". Physical Review Letters . 126 (18): 181301. arXiv : 2012.08785 . Código Bibliográfico :2021PhRvL.126r1301B. doi :10.1103/PhysRevLett.126.181301. ISSN  0031-9007. PMID  34018784. S2CID  229188123.
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