Wie kann ein Schwarzes Loch eine Ladung haben oder aufgeladen werden?

Die Antwort ist relativ einfach: (fast) alle Materie besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen, also aus entweder positiv, negativ oder ungeladenen Teilchen.

Der nächste Schritt, den Sie machen müssen, ist anzunehmen, dass ein Schwarzes Loch aus irgendeinem Grund mehr Protonen als Elektronen (oder umgekehrt) ansammelt.

Ein solcher Prozess könnte vorstellbar sein, wenn Sie an einen Prozess denken, der eine bestimmte Energie erzeugt - was zu einer viel höheren Geschwindigkeit für ein Elektron als für ein Proton führt -, so dass effektiv mehr Protonen eingefangen werden könnten. Jeder derartige Prozess hat ein offensichtliches Ende, wenn die Ladung so stark angestiegen ist, dass das Schwarze Loch beginnt, Teilchen der entgegengesetzten Ladung in einer solchen Anzahl anzuziehen, bis beide Ladungen wieder gleichmäßig angesammelt sind. Funktioniert der Ladungstrennungs- und Zuführungsprozess in seiner Umgebung nicht mehr, verliert er langsam Ladung, indem er entgegengesetzt geladene Teilchen anzieht und so anlagert, bis er wieder die Ladung Null erreicht.

Also, selbst wenn wir keine beobachtet haben, oder selbst wenn wir es nicht für wahrscheinlich halten, ist es eine theoretische Möglichkeit, die sich direkt aus der Eigenschaft der Materie ergibt, angesichts der Elementarladung, die einige Materieteilchen tragen.

Formal sind Schwarze Löcher eine Vorhersage von Einsteins Gravitationstheorie. Sie wurden durch Beobachtungen bestätigt.

Zur Theorie: Die Feldgleichungen der Einsteinschen Gravitation, die Einsteinschen Feldgleichungen, lassen Lösungen zu. Die erste geschlossene Lösung dieser Gleichungen wurde 1916 von Karl Schwarzschild gefunden, bei dem es sich um das massive, nicht rotierende, ungeladene Schwarze Loch mit einem Ereignishorizont handelt. Dann fanden Reissner, Nordstrom, Weyl und Jeffrey kurz darauf den Fall des nicht rotierenden und geladenen Schwarzen Lochs. Im Vergleich zum Schwarszchild-Schwarzen Loch, das seinen Ereignishorizont am Schwarszchild-Radius hat , die Reissner-Nordstrom-Metrikhat zwei Horizonte (einen Ereignishorizont und eine Cauchy-Fläche), deren Lage vom Schw-Radius und von der elektrischen Ladung des Schwarzen Lochs abhängt. Wenn die elektrische Ladung gleich oder größer der Masse des Schwarzen Lochs ist (in Einheiten mit G = c = 1), dann kann sich das Schwarze Loch in der Natur bilden, wäre aber eine nackte Singularität, da die Horizonte die physikalische Singularität nicht mehr bedecken.

Es ist eine elektrische Ladung, von der wir sprechen, richtig? Außerhalb des Ereignishorizonts, richtig?

Ja, elektrostatische Aufladung. Die Reissner-Nordstrom-Metrik geht davon aus , dass sich die gesamte Masse und elektrische Ladung in der physikalischen Singularität des Schwarzen Lochs befinden:

Die Annahme führt zu der Vorhersage, dass sich Licht aus dem äußeren Universum unendlich am inneren Horizont konzentriert, was der Annahme widerspricht, dass das Schwarze Loch außer an seiner Singularität leer ist. In Wirklichkeit, wenn es so etwas wie ein geladenes Schwarzes Loch gäbe, würden Sie, wenn Sie sich seinem inneren Horizont sehr nahe nähern, eine schnell wachsende Lichtexplosion aus dem äußeren Universum sehen. Das Licht löst die Instabilität der Masseninflation aus. Vom inneren Horizont an ist die Reissner-Nordström-Geometrie physikalisch nicht realistisch, obwohl sie eine exakte mathematische Lösung für Einsteins Gleichungen ist.

Einige Jahrzehnte später entdeckte Roy Kerr in den 1960er Jahren die Lösung für den allgemeinen Fall eines ungeladenen, rotierenden Schwarzen Lochs. Schließlich wird die Lösung für das geladene, rotierende Schwarze Loch Newman-Kerr-Schwarzes Loch genannt: Dieses hat also Masse, Spin und elektrische Ladung. Siehe die Tabelle der Arten von Schwarzen Löchern hier .

Es wird nicht erwartet, dass sich in der Natur Schwarze Löcher mit erheblicher elektrischer Ladung bilden, da die elektromagnetische Abstoßung beim Zusammendrücken einer elektrisch geladenen Masse dramatisch größer ist als die gravitative Anziehung (um etwa 40 Größenordnungen). Schwarze Löcher können auch Material aus ihrer Umgebung ansammeln und dadurch negative oder positive Ladung gewinnen, jedoch ist der Effekt der Ansammlung auf die NET-Ladung des Schwarzen Lochs vernachlässigbar.

Zur Beobachtung: Astrophysikalisch wird von Schwarzen Löchern eine vernachlässigbare Ladung erwartet, außer unter bestimmten Umständen bei Phänomenen geladener Teilchen in der Nähe von Schwarzen Löchern, z. B. kosmische Strahlung, aber es wird erwartet, dass sie einen Spin haben! Und wir haben jetzt viele Schwarze Löcher beobachtet, Schwarze Löcher mit stellarer Masse in Röntgendoppelsternen und bei Verschmelzungsereignissen von Doppelsternen und supermassereiche Schwarze Löcher in galaktischen Kernen.

Es ist möglich, dass alle Schwarzen Löcher, die wir bisher entdeckt haben, eine elektrische Ladung haben, aber dass sie so klein ist, dass es für uns derzeit sehr schwierig ist, sie zu messen, sodass wir nicht wissen, ob sie geladen sind oder nicht. Zukünftige Beobachtungen werden untersucht, um zu versuchen, die elektrische Ladung eines Schwarzen Lochs zu messen, zum Beispiel verwendet dieses Framework Retro-Lensing.

Bezüglich der Beobachtungen der astrophysikalischen Entstehung von Schwarzen Löchern deuten alle bisherigen Beobachtungen darauf hin , dass die Kerr-Metrik die korrekte Beschreibung von Schwarzen Löchern ist, die in der Natur entstehen. Aus diesem Grund halten wir derzeit das No-Hair-Theorem zusammen mit der astrophysikalischen Erwartung einer vernachlässigbaren elektrischen Ladung für gültig, obwohl es in seiner ganzen Allgemeinheit noch nicht bewiesen ist. Zukünftige Beobachtungen der elektrischen Ladung von Schwarzen Löchern könnten uns jedoch zwingen, dieses Bild zu aktualisieren! Wenn das passiert, dann würde die Kerr-Newman-Metrik die Kerr-Metrik als die beste Beschreibung ersetzen, die wir für schwarze Löcher in der Natur haben.

Ich muss meine hier vorher geschriebene Antwort korrigieren. Die Reissner-Nordström-Metrik hat die Form (siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Reissner-Nordstr%C3%B6m-Metrik ):

$$\begin{equation} \mathrm{d}s^2 = -\left(1-\frac{2GM}{c^2 r} + \frac{Q^{2} K G}{ c^4 r^2}\right)c^2 \mathrm{d}t^2 +\left(1-\frac{2GM}{c^2 r} + \frac{Q^{2} K G}{ c^4 r^2}\right)^{-1} \mathrm{d}r^2 + r^2(\sin^2\theta\,\mathrm{d}\phi^2+\mathrm{d}\theta^2).\tag{1} \end{equation}$$ Weil Ladung$Q$in die Metrik im Quadrat eingeht, kann gefolgert werden, dass die Gravitation keinen Unterschied zum Ladungszeichen macht, während das elektrische Feld außerhalb des Schwarzen Lochs davon abhängt. Ein Schwarzes Loch kann eine Ladung haben. Wie ist es möglich? Von außen gesehen überschreitet jede Ladung, die in ein Schwarzes Loch eindringt, niemals seinen Ereignishorizont, sie ist dort "eingefroren". Die Ladung wird niemals die äußere Raumzeit verlassen.

Da Materie im Allgemeinen neutral ist, werden Schwarze Löcher im Allgemeinen auch neutral sein. Körper, die dazu neigen, ein Schwarzes Loch zu werden, sind ebenfalls neutral. Ein Neutronenstern ist elektrisch neutral. Die Entwicklung von Ladung durch ein geladenes Schwarzes Loch würde dieser Bildung sehr entgegenwirken. Materie würde vor dem Gravitationskollaps abgestoßen werden.

Aufgeladene BHs sind eine rein hypothetische Kuriosität (dh aufgeladene BHs mit beträchtlich dickem Haar). Sie existieren nur in der Theorie. Mit einem Haar extra. Echte BHs haben nur eine Masse und ein Rotationshaar. Obwohl es Theorien gibt, die ihnen weiches Haar geben. Um das Informationsparadoxon zu lösen. Einige schlagen sogar eine Firewall vor.

Ein maximal aufgeladenes Schwarzes Loch ist ein nacktes. Sein Ereignishorizont liegt aufgrund der Energie, die im elektrischen Feld außerhalb der Ladung enthalten ist, im Unendlichen. Nun, selbst bei maximaler Ladung hat das Loch einen Horizont. Aber wenn die Elementarladung größer wäre, geht der Horizont ins Unendliche.

Schwarze Löcher mit Ladung wurden nicht beobachtet, aber mit Magnetfeldern sind mit ziemlicher Sicherheit häufig. Der supermassive in M87 wird als einer mit massiven Magnetfeldern angesehen. Wie man es von diesen Giganten erwarten kann. Plasma wirbelt in diesen Feldern herum.