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Agujero negro giratorio

Un agujero negro en rotación es un agujero negro que posee 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. Tenga en cuenta 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

Hay cuatro soluciones conocidas y exactas de los agujeros negros para las ecuaciones de campo de Einstein , que describen la gravedad en la relatividad general . Dos de ellos giran: los agujeros negros de Kerr y Kerr-Newman. En general, se cree que todo agujero negro se desintegra rápidamente hasta convertirse en un agujero negro estable; y, según el teorema del no pelo , que (a excepción de las fluctuaciones cuánticas) los agujeros negros estables pueden describirse completamente en cualquier momento mediante estos 11 números:

Mientras que desde la perspectiva de un observador que cae, la inmersión en un agujero negro en rotación ocurre en un tiempo propio finito y con una rapidez muy alta (izquierda), desde la perspectiva de un observador coordinado en el infinito, se desaceleran , acercándose a la velocidad cero en el horizonte en relación con un sonda estacionaria en el sitio mientras el efecto de arrastre del marco del agujero negro hace girar para siempre (derecha).
Órbita progresiva alrededor de un agujero negro que gira con un parámetro de giro de a/M=0,9.

Estos números representan los atributos conservados de un objeto que pueden determinarse a distancia examinando sus campos electromagnético y gravitacional. Todas las demás variaciones del 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 los eventos fuera de él.

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

Tenga en cuenta que se espera que los agujeros negros astrofísicos tengan un momento angular distinto de cero, debido a su formación mediante el colapso de objetos estelares en rotación, pero efectivamente una carga cero, ya que cualquier carga neta atraerá rápidamente la carga opuesta y la neutralizará. Por este motivo, el término agujero negro "astrofísico" suele reservarse para el agujero negro de Kerr. [5]

Formación

Los agujeros negros en rotación se forman en el colapso gravitacional de una estrella masiva en rotación o por el colapso o colisión de una colección 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 en la naturaleza sean agujeros negros en rotación. [1] [2] Dado que los objetos astronómicos observados no poseen una carga eléctrica neta apreciable, sólo la solución de Kerr tiene relevancia astrofísica.

A finales de 2006, los astrónomos informaron estimaciones de las velocidades de giro de los agujeros negros en The Astrophysical Journal . Un agujero negro en la Vía Láctea, GRS 1915+105 , puede girar 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 en rotación por un colapsar se observa mediante la emisión de estallidos de rayos gamma .

Conversión a un agujero negro de Schwarzschild

Un agujero negro en rotación puede producir grandes cantidades de energía a expensas de su energía de rotación. [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 sucesos. [9] En algunos casos de extracción de energía, un agujero negro en rotación puede reducirse gradualmente a un agujero negro de Schwarzschild, la configuración mínima de la cual 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 giratorio desde la perspectiva del observador distante. Los diferentes cuadros muestran el agujero negro desde diferentes ángulos.

Un agujero negro en rotación es una solución de la ecuación de campo de Einstein . Hay 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 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 la luz se curva 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 tanto, los agujeros negros, que eran la solución a la ecuación de Einstein de 1915, eran estables. [13]

Transición de estado

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

En la cultura popular

Los agujeros negros de Kerr aparecen ampliamente en la novela visual Steins;Gate de 2009 (también TV / manga ), por sus posibilidades en los viajes en el tiempo . [15] Sin embargo, estos se magnifican enormemente 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 .

Ver también

Referencias

  1. ^ ab "¿Por qué y cómo giran los planetas?". Científico americano . 14 de abril de 2003.
  2. ^ ab Ethan Siegel (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. ^ Robert Walty (22 de julio de 2019). "Se dice que la mayoría de los agujeros negros probablemente tienen giro. ¿Qué es exactamente lo que gira?". astronomía.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. S2CID  119383808.
  6. ^ Hayes, Jacqui (24 de noviembre de 2006). "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 en rotación". Física de la Naturaleza . 16 (10): 1069-1073. arXiv : 2005.03760 . Código Bib : 2020NatPh..16.1069C. doi :10.1038/s41567-020-0944-3. S2CID  218571203.
  8. ^ Michelle Starr (25 de junio de 2020). "Después de 50 años, un experimento finalmente muestra que se puede extraer energía de un agujero negro".
  9. ^ Williams, RK (1995). "Extracción de rayos X, rayos Ύ y pares relativistas e - e + de agujeros negros supermasivos de Kerr utilizando el mecanismo de Penrose". Revisión física D. 51 (10): 5387–5427. Código bibliográfico : 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". La revista astrofísica . 682 (2): 1124. arXiv : 0805.0044 . Código Bib : 2008ApJ...682.1124K. doi :10.1086/589497. ISSN  0004-637X. S2CID  16509742.
  11. ^ Comunicación, NBI (9 de agosto de 2021). "Un 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". Informes científicos . 11 (1): 14247. Código bibliográfico : 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 las matemáticas (monografía). Universidad de Colombia . arXiv : 2205.14808 .
  14. ^ Davies, Paul CW (1989). "Transiciones de fase termodinámica de los agujeros negros de Kerr-Newman en el espacio de Sitter". Gravedad clásica y cuántica . 6 (12): 1909-1914. Código bibliográfico : 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. ^ Mark Hay (23 de julio de 2020). "Conozca al hombre que intenta enviar una advertencia sobre las peores tragedias de la historia que se remontan a 1935". micrófono .
  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.

Otras lecturas