¿El giro de un agujero negro se ve afectado por la materia que lo orbita?

¿El giro de un agujero negro se ve afectado por la materia que lo orbita?

Respuesta corta: ¡Sí!

El espín (momento angular) de un agujero negro podría modificarse mediante la interacción con la materia circundante de diversas formas.

• En tales procesos se respetarían las leyes de la termodinámica de los agujeros negros . Esto, en particular, significa que el área del horizonte de sucesos siempre aumentará incluso cuando se extraiga energía rotacional del agujero negro. Además, el momento angular del agujero negro satisfaría$J<GM^2/c^2$(dónde$M$es la masa del agujero negro), es imposible hacer girar el agujero negro más allá de este límite.

• Si un cuerpo se sumerge en un agujero negro, su momento angular (principalmente el momento angular de su movimiento orbital, pero también cualquier momento angular intrínseco que tuviera) se convierte en parte del agujero negro. Entonces, si un agujero negro está rodeado por un disco de acreción, entonces el transporte del momento angular dentro y hacia el agujero negro es un aspecto importante de los procesos que ocurren allí y este transporte ocurriría a través de muchos medios: turbulencia de plasma, campos magnéticos, electromagnéticos y gravitacionales. radiación, etc. En el transcurso de su evolución, la acreción podría "hacer girar" el agujero negro bastante cerca de los valores máximos posibles de momento angular (para una masa dada).

• Es posible transferir el momento angular (y la energía) a un agujero negro a través de los efectos de las mareas, véase, por ejemplo, este documento . Por ejemplo, esto sucedería si un agujero negro es parte de un binario (con otro agujero negro, estrella de neutrones, etc.). Esta es la generalización directa de la rotación de la Tierra desacelerándose por la influencia de las mareas de la Luna como se menciona en el OP. Cuando se coloca en entornos idénticos, un agujero negro giratorio absorbe más energía y momento angular de los efectos de las mareas que un agujero negro no giratorio. Pero incluso para los agujeros negros en rotación, en la mayoría de las circunstancias, este tipo de absorción de masa/momento angular es demasiado pequeño y, por lo general, podría ignorarse.

• Los agujeros negros giratorios exhiben superradiación , un fenómeno cuando se amplifica el flujo de radiación (electromagnética o gravitatoria) que incide sobre un agujero negro. Este efecto es conceptualmente similar al proceso de Penrose solo para ondas en lugar de partículas. La energía necesaria y el momento angular que se lleva son proporcionados por la rotación del agujero negro y, como resultado, se ralentiza. Un concepto relacionado es la bomba del agujero negro , un proceso superradiante fuera de control.

• Finalmente, se debe hacer una mención especial al proceso de Blandford-Znajek que extrae energía rotacional (y por lo tanto ralentiza la rotación del agujero negro) a través de campos magnéticos de fuentes externas.

Permítanme primero recapitular:
la interacción de las mareas en el sistema Tierra-Luna está elevando la altitud de la órbita de la Luna y ralentizando la Tierra. También hay intercambio de momento angular. El momento angular de la Luna aumenta en el proceso, y hay una disminución correspondiente del momento angular de la Tierra.

En el caso de un agujero negro: la única interacción con la materia circundante, que yo sepa, es con el disco de acreción del agujero negro.

A una gran distancia del agujero negro, la gravedad del agujero negro se describe con mucha precisión con la ley estándar de la gravedad del cuadrado inverso newtoniano. A distancias como esa, el movimiento orbital alrededor del agujero negro es tan estable como las órbitas de los planetas del Sistema Solar.

Más cerca del agujero negro, los efectos relativistas se vuelven significativos. El movimiento orbital a largo plazo todavía es posible, pero esas órbitas tienen precesión (como Mercurio tiene precesión de su órbita). Cuanto más cerca del agujero negro, más rápida es la tasa de precesión.

Entonces, cualquier cosa que orbite un agujero negro en ese rango tiene una mayor probabilidad de chocar con los vecinos. El efecto de tal golpe es la pérdida de altitud orbital. (O el bache hace que la órbita sea aún menos circular, lo que aumenta la probabilidad de chocar con los vecinos).

No es que el agujero negro esté atrayendo activamente masa hacia sí mismo. Es más que, con el tiempo, la masa que orbita un agujero negro tiende a perder altitud orbital. Eventualmente, la masa que orbita alrededor del agujero negro pierde tanta altitud orbital que cruza el horizonte de eventos.

Cuando la masa en órbita cruza el horizonte de eventos, el momento angular orbital se absorbe en el momento angular general del agujero negro.

(Muchos agujeros negros tienen un entorno limpio. Toda la masa que estaba lo suficientemente cerca como para ser engullida ya ha sido engullida).

Lo que eso significa es que un agujero negro tiene solo una forma de interacción gravitacional con la materia que lo rodea: la altitud orbital de la materia que lo rodea disminuye y, finalmente, esa materia cruza el horizonte de eventos. (Por el contrario, la interacción de las mareas en el sistema Tierra-Luna provoca un aumento de la altitud de la órbita de la Luna)

Entonces, en el curso normal de los eventos, no veo un proceso que pueda disminuir el momento angular del agujero negro.

(Bueno, supongo que es posible el siguiente escenario: una nube de gas en movimiento se encuentra con un agujero negro, y el vector de momento angular de esa nube de gas está en la dirección opuesta al momento angular de ese agujero negro. Si esa nube de gas se contrae a un disco de acreción, entonces tienes un disco de acreción con un momento angular que es opuesto al momento angular del agujero negro. Pero ese es un escenario muy artificial.)

Entonces:
no veo un proceso plausible que pueda hacer que el momento angular de un agujero negro vuelva a bajar.

Por diversión, puede leer sobre el proceso de Penrose

No, porque casi toda la materia cercana a un agujero negro es tan pequeña que su gravedad no es tanta.