Czy czarna dziura ma moment pędu?

Pytanie

Pyta Tomek

Skoro cała masa czarnej dziury skupiona jest w punkcie osobliwości, to czy czarna dziura ma moment pędu?

Odpowiedź

Odpowiada Andrzej Okołów

Czarna dziura może mieć moment pędu – standardowym przykładem jest tu czarna dziura Kerra.

Odnośnie masy czarnej dziury skupionej w punkcie osobliwości mam dwie uwagi. Po pierwsze, w mechanice klasycznej, aby określić moment pędu punktu materialnego o masie $m$, musimy wpierw ustalić pewien punkt $p$. Jeśli w danej chwili położenie punktu materialnego względem punktu $p$ jest opisane za pomocą wektora wodzącego $\vec{r}$, to moment pędu punktu materialnego względem punktu $p$ zdefiniowany jest wzorem
\[
\vec{L}:=m\,\vec{r}\times \vec{v},
\]
gdzie $\vec{v}$ jest prędkością punktu materialnego. Widać stąd, że jeśli punkt $p$ pokrywa się z (chwilowym) położeniem punktu materialnego, to wektor wodzący $\vec{r}=0$ i w konsekwencji moment pędu $\vec{L}$ również się zeruje.

Mogłoby się zatem wydawać, że jeżeli rzeczywiście masa czarnej dziury jest skupiona w jednym punkcie, to jej moment pędu (względem tegoż punktu) powinien być zawsze równy zeru.

Jednakże fizycy mówiąc o momencie pędu czarnej dziury mają na myśli wielkość fizyczną określoną w zupełnie inny sposób, dlatego powyższy wniosek nie ma tu zastosowania.

Warto tu dodać, że jeżeli różne wielkości fizyczne występujące w różnych teoriach mają ze sobą coś wspólnego, to do ich określenia używa się często tej samej nazwy – moment pędu punktu materialnego w mechanice klasycznej i moment pędu czarnej dziury w ogólnej teorii względności są to zupełnie różne pojęcia, aczkolwiek oba pojęcia są w pewien sposób powiązane z obrotami i dlatego oba te pojęcia określa się tą samą nazwą.

Po drugie, osobliwość czarnej dziury Kerra nie jest obiektem punktowym, lecz ma raczej strukturę pierścienia (okręgu).