Екстремальна чорна діра

Екстремальна чорна діра (англ. extremal black hole) — чорна діра з мінімально можливою масою, сумісною з її зарядом та моментом імпульсу^[1]. Екстремальні чорні діри мають нульову температуру. Близькоекстремальні чорні діри (англ. near-extremal black holes) з масою трохи вище екстремального значення мають просту структуру горизонту, що робить їх цінними інструментами для дослідження чорних дір^[2].

Ергосфера, зовнішній горизонт та внутрішній горизонт чорної діри Керра, коли її момент імпульсу наближається до екстремальних значень (a=1)

Концепція екстремальної чорної діри є гіпотетичною, і досі жодної з них не спостерігалося в природі. Однак вони виявилися корисними як теоретичні конструкції^[3].

На загальних підставах вважають, що екстремальні чорні діри матимуть нульову гокінгівську температуру та не випромінюватимуть випромінювання Гокінга^[4][5]. У суперсиметричних теоріях екстремальні чорні діри часто є суперсиметричними: вони інваріантні відносно кількох надзарядів. Ентропію чорної діри^[6] можна розрахувати за допомогою теорії струн.

Одна з гіпотез, відома як «третій закон термодинаміки чорних дір», стверджує, що жоден фізичний процес не може утворити чорну діру зі зникаючою поверхневою гравітацією^[7]. Це виключає утворення екстремальної чорної діри; точніше, жоден процес, що включає скінченну кількість кроків, не може створити чорну діру, не порушуючи слабкої енергетичної умови^[en][8]. Доказ цього Вернер Ізраїль опубліккував 1986 року^[9]. Однак новіші роботи стверджують, що робота Ізраеля містить помилку, і тому екстремальні чорні діри насправді можливі^[10][11][3]. Третій закон термодинаміки для чорних дір завжди був предметом суперечок.

Чорна діра, маса якої близька до мінімально можливої маси, сумісної з заданими зарядом та моментом імпульсу, відома як близькоекстремальна чорна діра. Розрахунки таких об'єктів зазвичай виконують за допомогою теорії збурень вінносно екстремальної чорної діри; малий параметр збурення називають неекстремальністю. У суперсиметричних теоріях близькоекстремальні чорні діри часто є малими збуреннями суперсиметричних чорних дір. Такі чорні діри мають дуже малу гокінгівську температуру і, отже, випромінюють невелику кількість випромінювання Гокінга. Їхню ентропію часто можна розрахувати в теорії струн, подібно до випадку екстремальних чорних дір, принаймні до першого порядку неекстремальності.