



















|
Det finns fyra huvudkategorier av matematiska lösningar till Einsteins
fältekvationer som beskriver svarta hål i naturen med olika stor grad
av noggrannhet. Samtliga lösningar innehåller kombinationer av de enda
tre egenskaper som ett svart hål kan ha, nämligen massa, elektrisk laddning
och rotationsmoment. Rumtidens egenskaper omkring och inuti det svarta
hålet beskrivs med metriker som tar
med fler eller färre av dessa tre egenskaper och som väljas i olika
koordinatsystem för att framhäva speciella egenskaper hos det svarta
hålet. När man avlägsnar sig från det svarta hålets omgivning så går
alla metriker asymptotiskt över i Minkowskis metrik som lyder beskrivet
med sfäriska koordinater. Det är denna metrik som används inom den speciella
relativitetsteorin, d v s begränsningen av Einsteins allmänna relativitetsteori
där rumtiden inte är krökt p g a materia är närvarande i den.
- Schwarzschild metriken:
Denna lösning till Einsteins fältekvationer är den matematiskt sett
enklaste och mest idealiserade. Schwarzschildgeometrin vid en symmetriskt
distribuerad massa beskrivs av metriken
utanför Schwarzschildradien. Här finns två singulariteter, dels
vid r=0 och r=2M. Singulariteten vid r=2M är dock ingen egentlig
singularitet utan bara radien där flykthastigheten överstiger ljushastigheten;
den apparenta singulariteten beror bara på ett dåligt valt koordinatsystem,
något som uppmärksammades först i och med användandet av Eddington-Finkelstein
metriken på 1950-talet. Även innanför Schwarzschildradien existerar
en explicit lösning vars metrik lyder där
.
Här är kappa ytgravitationen och my något annat. Då man avlägsnar
sig från Schwarzschildhålet, eller massan M avtar till noll, så
övergår metriken logiskt nog till Minkowskis eftersom rumtidens
krökning försvinner. Den så kraftfulla
Eddington-Finkelstein metriken har utseendet där
och
där fotoner som rör sig radiellt inåt beskrivs av dv=0.
- Reissner-Nordström metriken: Hans Reissner samt Gunnar
Nordström fann år 1916 respektive år 1918 en lösning till Einsteins
fältekvationer som de hoppades skulle ge en modell för elektronen.
Lösningen visade sig istället vara en generalisering av Schwarzschilds
lösning som beskriver ett svart hål som förutom massa dessutom har
en elektrisk laddning Q (detta förstod dock ingen förrän år 1960
då två av Wheelers studenter, John Graves och Dieter Brill, upptäckte
att den beskriver ett elektriskt laddat svart hål). Metriken lyder
och när laddningen Q går mot noll så reduceras lösningen till Schwarzschilds.
Denna lösning till fältekvationerna är dock mest av matematiskt
intresse eftersom de flesta makroskopiska objekt saknar elektrisk
laddning.
- Kerr metriken: Denna lösning
till Einsteins fältekvationer beskriver ett svart hål med en massa
M och ett rörelsemoment a. Metriken har utseendet
i
Boyer-Lindquist koordinater, där och
.
Denna lösning till fältekvationerna är den som är
mest användbar vid praktiska beräkningar på
svarta hål eftersom dessa nästan alltid har ett stort rotationsmoment
men inte någon laddning. Singulariteten i ett roterande svart hål
är inte formad som en punkt, vilket var fallet för Schwarzschilds
och Reissner samt Nordströms lösningar, utan som en ring. Mellan
horisonten och ergosfären (den statiska gränsen) befinner sig ergoregionen
(i figuren kallad för ergosfär). När rörelsemomentet a går mot noll så övergår Kerrs lösning till
Schwarzschilds. Detta innebär att ergosfären och händelsehorisonten (yttre horisonten) sammanfaller samt att ergoregionen försvinner. Det innebär även att ringsingulariteten övergår i en punktformad singularitet i r = 0.

Beskrivning av ett roterande svart hål. Den yttre horisonten kallas även för händelsehorisont och den inre horisonten för Cauchy-horisont.
- Kerr-Newman hål: Kerr-Newman
lösningen beskriver svarta hål med massa M, rörelsemoment a och
laddning Q. Denna lösning innefattar alla typer av svarta hål men
används inte eftersom makroskopiska objekt inte har någon laddning.
Geometrin har nästan samma utseende som i fallet för Kerrmetriken.
Undantaget är att en term för laddningen adderas till deltatermen
som får utseendet
.
När laddningen Q går mot noll så övergår lösningen till Kerrs metrik
och när rotationen avstannar så övergår lösningen till Reissner-Nordströms.
Naken singularitet: Ett specialfall är om laddningen
i ett Ressner-Nordström hål blir väldigt stor så hamnar
troligen händelsehorisonten innanför singulariteten som blottas. Det
verkar dock som om naturen hindrar nakna singulariteter från att existera,
ett fenomen som brukar kallas för kosmisk
censur. Enligt de senaste resultaten så är det teoretiskt möjligt
för nakna singulariteter att bildas men lösningen är instabil så den
nakna singulariteten upphör genast att existera.
Lek med svarta håls egenskaper
Genom att variera det svarta hålets tre möjliga egenskaper
kan man få en känsla för hur det fungerar:
|