Как черная дыра может иметь заряд или быть заряженной?

Ответ достаточно прост: (почти) вся материя состоит из протонов, нейтронов и электронов, то есть из положительно или отрицательно заряженных частиц или частиц без заряда.

Следующий шаг, который вам нужно сделать, — это предположить, что по какой-то причине черная дыра аккрецирует больше протонов, чем электронов (или наоборот).

Такой процесс можно было бы представить себе, если представить себе любой процесс, производящий определенную энергию — что приводит к гораздо более высокой скорости электрона, чем для протона, — так что фактически можно было бы захватить больше протонов. Любой такой процесс имеет очевидный конец, когда заряд увеличился достаточно сильно, так что черная дыра начинает притягивать частицы противоположного заряда в таком количестве, пока оба заряда снова не аккрецируются одинаково. Если процесс разделения и подачи заряда поблизости перестанет функционировать, он будет медленно терять заряд, притягивая и, таким образом, аккрецируя частицы противоположного заряда, пока снова не достигнет нулевого заряда.

Таким образом, даже если мы ничего не наблюдаем или даже если мы не считаем, что это может произойти, это теоретическая возможность, которая вытекает непосредственно из свойства материи, учитывая элементарный заряд, переносимый некоторыми частицами материи.

Формально черные дыры — это предсказание теории гравитации Эйнштейна. Они были подтверждены наблюдениями.

Относительно теории: уравнения поля эйнштейновской гравитации, уравнения поля Эйнштейна допускают решения. Первое решение этих уравнений в замкнутой форме было найдено в 1916 году Карлом Шварцшильдом и представляет собой массивную невращающуюся незаряженную черную дыру с горизонтом событий. Затем Рейсснер, Нордстрем, Вейл и Джеффри вскоре обнаружили случай невращающейся и заряженной черной дыры. По сравнению с черной дырой Шваршильда, горизонт событий которой находится на радиусе Шваршильда , метрика Рейсснера-Нордстремаимеет два горизонта (один горизонт событий и одну поверхность Коши), расположение которых зависит от радиуса Шва и от электрического заряда черной дыры. Если электрический заряд равен или больше массы черной дыры (в единицах, где G=c=1), то черная дыра может образоваться в природе, но будет голой сингулярностью, поскольку горизонты больше не покрывают физическую сингулярность.

Мы же говорим об электрическом заряде, верно? За пределами горизонта событий, верно?

Да, электростатический заряд. Метрика Рейснера-Нордстрема предполагает , что вся масса и электрический заряд сосредоточены в физической сингулярности черной дыры:

Предположение приводит к предсказанию, что свет из внешней вселенной бесконечно концентрируется на внутреннем горизонте, что противоречит предположению, что черная дыра пуста, за исключением ее сингулярности. В действительности, если бы существовала такая вещь, как заряженная черная дыра, подойдя очень близко к ее внутреннему горизонту, вы бы увидели быстро нарастающий взрыв света из внешней вселенной. Свет запускает неустойчивость инфляции массы. С внутренней стороны геометрия Рейснера-Нордстрема не является физически реалистичной, несмотря на то, что она является точным математическим решением уравнений Эйнштейна.

Несколько десятилетий спустя Рой Керр нашел решение для общего случая незаряженной вращающейся черной дыры в 1960-х годах. Наконец, решение для заряженной вращающейся черной дыры называется черной дырой Ньюмена-Керра: так что у нее есть масса, вращение и электрический заряд. См. таблицу типов черных дыр здесь .

Не ожидается, что в природе будут образовываться черные дыры со значительным электрическим зарядом, потому что электромагнитное отталкивание при сжатии электрически заряженной массы резко превышает гравитационное притяжение (примерно на 40 порядков). Кроме того, черные дыры могут аккрецировать материал из своего окружения и, таким образом, приобретать отрицательный или положительный заряд, однако влияние аккреции на чистый заряд черной дыры незначительно.

Относительно наблюдения: астрофизически ожидается, что черные дыры будут иметь пренебрежимо малый заряд, за исключением определенных обстоятельств, связанных с явлением заряженных частиц вблизи черных дыр, например, космические лучи, но ожидается, что они будут иметь вращение! И сейчас мы наблюдаем множество черных дыр, черных дыр звездной массы в рентгеновских двойных системах и в событиях слияния двойных, а также сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик.

Возможно, что все черные дыры, которые мы обнаружили до сих пор, ДЕЙСТВИТЕЛЬНО имеют электрический заряд, но он настолько мал, что нам очень трудно измерить его в настоящее время, поэтому мы не знаем, есть ли у них заряд или нет. Изучаются будущие наблюдения для попытки измерить электрический заряд черной дыры, например, эта структура использует ретролинзирование.

Что касается наблюдений за астрофизическим образованием черных дыр, все наблюдения на сегодняшний день указывают на то, что метрика Керра является правильным описанием черных дыр, образующихся в природе. Вот почему в настоящее время мы считаем справедливой теорему об отсутствии волос, наряду с астрофизическим ожиданием пренебрежимо малого электрического заряда, хотя в целом она все еще не доказана. Однако будущие наблюдения за электрическим зарядом черной дыры могут заставить нас обновить эту картину! Если это произойдет, то метрика Керра-Ньюмана заменит метрику Керра как лучшее описание черных дыр в природе, которое у нас есть.

Я должен исправить свой ответ, написанный здесь ранее. Метрика Рейснера-Нордстрема имеет вид (см. https://de.wikipedia.org/wiki/Reissner-Nordstr%C3%B6m-Metrik ):

$$\begin{equation} \mathrm{d}s^2 = -\left(1-\frac{2GM}{c^2 r} + \frac{Q^{2} K G}{ c^4 r^2}\right)c^2 \mathrm{d}t^2 +\left(1-\frac{2GM}{c^2 r} + \frac{Q^{2} K G}{ c^4 r^2}\right)^{-1} \mathrm{d}r^2 + r^2(\sin^2\theta\,\mathrm{d}\phi^2+\mathrm{d}\theta^2).\tag{1} \end{equation}$$ Потому что заряд$Q$входит в метрику в квадрате, можно сделать вывод, что гравитация не имеет значения для знака заряда, тогда как электрическое поле вне черной дыры зависит от нее. Черная дыра может иметь заряд. Как это возможно? Со стороны видно, что любой заряд, попадающий в черную дыру, никогда не пересекает ее горизонт событий, он там «замораживается». Заряд никогда не покинет космическое пространство-время.

Поскольку материя в целом нейтральна, черные дыры в целом также будут нейтральны. Тела, склонные к превращению в черную дыру, тоже нейтральны. Нейтронная звезда нейтральна по отношению к электрическому заряду. Если бы заряженная черная дыра приобрела заряд, это сильно помешало бы этому формированию. Материя будет отталкиваться до гравитационного коллапса.

Заряженные ЧД представляют собой чисто гипотетическую диковинку (т.е. заряженные ЧД со значительной густотой волоса). Они существуют только в теории. С одним дополнительным волосом. Настоящие ЧД имеют только массу и волосок вращения. Хотя есть теории, придающие им мягкие волосы. Чтобы решить информационный парадокс. Некоторые даже предлагают брандмауэр.

Максимально заряженная черная дыра является голой. Его горизонт событий лежит в бесконечности из-за энергии, содержащейся в электрическом поле вне заряда. Ну даже при максимально заряженной дырке есть горизонт. Но если бы элементарный заряд был больше, то горизонт уходил бы в бесконечность.

Черные дыры с зарядом не наблюдались, но с магнитными полями почти наверняка обычны. Сверхмассивная в M87 видна как звезда с массивными магнитными полями. Чего и следовало ожидать от этих гигантов. Плазма кружится в этих полях.