¿Cómo puede un agujero negro tener carga o estar cargado?

La respuesta es razonablemente simple: (casi) toda la materia consta de protones, neutrones y electrones, por lo tanto, de partículas con carga positiva o negativa o sin carga.

El siguiente paso que debe dar es asumir que, por alguna razón, un agujero negro acumula más protones que electrones (o viceversa).

Tal proceso podría ser imaginable, si piensa en cualquier proceso que produzca cierta energía, lo que da como resultado una velocidad mucho mayor para un electrón que para un protón, de modo que se puedan capturar efectivamente más protones. Cualquier proceso de este tipo tiene un final obvio cuando la carga aumenta lo suficiente, de modo que el agujero negro comienza a atraer partículas de la carga opuesta en cantidades tales hasta que ambas cargas se acumulan de nuevo por igual. Si el proceso de separación y alimentación de carga en su vecindad deja de funcionar, perderá carga lentamente atrayendo y acumulando partículas de la carga opuesta hasta que nuevamente alcance la carga cero.

Entonces, incluso si no hemos observado ninguno, o incluso si no consideramos probable que suceda, es una posibilidad teórica que se deriva directamente de la propiedad de la materia, dada la carga elemental que llevan algunas partículas de materia.

Formalmente, los agujeros negros son una predicción de la teoría de la gravedad de Einstein. Han sido confirmados por observación.

Respecto a la teoría: Las ecuaciones de campo de la gravedad de Einstein, las Ecuaciones de Campo de Einstein, admiten soluciones. La primera solución de forma cerrada de estas ecuaciones fue encontrada en 1916 por Karl Schwarzschild, que es el agujero negro masivo sin carga y sin rotación con un horizonte de eventos. Luego, Reissner, Nordstrom, Weyl y Jeffrey encontraron poco después el caso del agujero negro que no giraba y estaba cargado. En comparación con el agujero negro de Schwarszchild, que tiene su horizonte de eventos en el radio de Schwarszchild , la métrica de Reissner-Nordstromtiene dos horizontes (un horizonte de eventos y una superficie de Cauchy), cuya ubicación depende del radio de Schw y de la carga eléctrica del agujero negro. Si la carga eléctrica es igual o mayor a la masa del agujero negro (en unidades donde G=c=1), entonces el agujero negro puede formarse en la naturaleza pero sería una singularidad desnuda ya que los horizontes ya no cubren la singularidad física.

Es una carga eléctrica de lo que estamos hablando, ¿verdad? Fuera del horizonte de eventos, ¿correcto?

Sí, carga electrostática. La métrica de Reissner-Nordstrom asume que toda la masa y la carga eléctrica residen en la singularidad física del agujero negro:

La suposición conduce a la predicción de que la luz del universo exterior se concentra infinitamente en el horizonte interior, lo que contradice la suposición de que el agujero negro está vacío excepto en su singularidad. En realidad, si existiera algo así como un agujero negro cargado, a medida que te acercas mucho a su horizonte interior, verías una explosión de luz que crece rápidamente desde el universo exterior. La luz desencadena la inestabilidad de la inflación masiva. Desde el horizonte interior en adelante, la geometría de Reissner-Nordström no es físicamente realista, a pesar de ser una solución matemática exacta a las ecuaciones de Einstein.

Varias décadas más tarde, Roy Kerr descubrió la solución para el caso general de un agujero negro giratorio sin carga en la década de 1960. Por último, la solución para el agujero negro giratorio cargado se llama agujero negro de Newman-Kerr: así que este tiene masa, espín y carga eléctrica. Consulta la tabla de tipos de agujeros negros aquí .

No se espera que los agujeros negros se formen en la naturaleza con una carga eléctrica significativa porque la repulsión electromagnética al comprimir una masa cargada eléctricamente es dramáticamente mayor que la atracción gravitacional (en aproximadamente 40 órdenes de magnitud). Además, los agujeros negros pueden acumular material de su entorno y, por lo tanto, ganar carga negativa o positiva; sin embargo, el efecto de la acumulación en la carga NETA del agujero negro es insignificante.

Con respecto a la observación: astrofísicamente, se espera que los agujeros negros tengan una carga insignificante, excepto en ciertas circunstancias que involucran fenómenos de partículas cargadas cerca de los agujeros negros, por ejemplo, rayos cósmicos, ¡pero se espera que tengan espín! Y ahora hemos observado muchos agujeros negros, agujeros negros de masa estelar en binarias de rayos X y en eventos de fusión binaria, y agujeros negros supermasivos en núcleos galácticos.

Es posible que todos los agujeros negros que hemos descubierto hasta ahora SÍ tengan carga eléctrica, pero que sea tan pequeña que actualmente nos resulte muy difícil medirla, por lo que no sabemos si tienen carga o no. Se están explorando futuras observaciones para tratar de medir la carga eléctrica de un agujero negro, por ejemplo, este marco utiliza lentes retro.

Con respecto a las observaciones de la formación astrofísica de agujeros negros, todas las observaciones hasta la fecha indican que la métrica de Kerr es la descripción correcta de los agujeros negros que se forman en la naturaleza. Esta es la razón por la que actualmente consideramos que el teorema del cabello no es válido, junto con la expectativa astrofísica de una carga eléctrica insignificante, aunque todavía no se ha demostrado en su totalidad. ¡Sin embargo, las futuras observaciones de la carga eléctrica del agujero negro podrían obligarnos a actualizar esta imagen! SI eso sucede, entonces la métrica de Kerr-Newman reemplazaría a la métrica de Kerr como la mejor descripción que tenemos para los agujeros negros en la naturaleza.

Tengo que corregir mi respuesta escrita aquí antes. La métrica Reissner-Nordström tiene la forma (ver https://de.wikipedia.org/wiki/Reissner-Nordstr%C3%B6m-Metrik ):

$$\begin{equation} \mathrm{d}s^2 = -\left(1-\frac{2GM}{c^2 r} + \frac{Q^{2} K G}{ c^4 r^2}\right)c^2 \mathrm{d}t^2 +\left(1-\frac{2GM}{c^2 r} + \frac{Q^{2} K G}{ c^4 r^2}\right)^{-1} \mathrm{d}r^2 + r^2(\sin^2\theta\,\mathrm{d}\phi^2+\mathrm{d}\theta^2).\tag{1} \end{equation}$$ porque cobran$Q$entra en el cuadrado de la métrica, se puede concluir que la gravitación no hace ninguna diferencia en el signo de la carga, mientras que el campo eléctrico fuera del agujero negro depende de ello. Un agujero negro puede tener una carga. ¿Como es posible? Visto desde el exterior, cualquier carga que entre en un agujero negro nunca cruza su horizonte de sucesos, se "congela" allí. La carga nunca dejará el espacio-tiempo exterior.

Como la materia es neutral en general, los agujeros negros también lo serán en general. Los cuerpos que son propensos a convertirse en un agujero negro también son neutrales. Una estrella de neutrones es neutra con carga eléctrica. Para que un agujero negro cargado desarrolle carga actuaría en gran medida en contra de esta formación. La materia sería rechazada antes del colapso gravitacional.

Los BH cargados son una mera curiosidad hipotética (es decir, BH cargados con una espesa cabellera considerable). Existen sólo en teoría. Con un cabello extra. Los BH reales tienen solo una masa y un cabello rotacional. Aunque hay teorías que les dan el pelo suave. Para resolver la paradoja de la información. Algunos incluso proponen un cortafuegos.

Un agujero negro cargado al máximo es uno desnudo. Su horizonte de eventos se encuentra en el infinito debido a la energía contenida en el campo eléctrico fuera de la carga. Bueno, incluso si está cargado al máximo, el agujero tiene un horizonte. Pero si la carga elemental fuera mayor el horizonte se extiende hasta el infinito.

No se han observado agujeros negros con carga pero con campos magnéticos son casi con seguridad comunes. El súper masivo en M87 se ve como uno con campos magnéticos masivos. Como se puede esperar de estos gigantes. El plasma da vueltas en estos campos.