Nerozšiřující se horizont - Non-expanding horizon - Wikipedia

A nerozšiřující se horizont (NEH) je uzavřený nulový povrch jehož vnitřní struktura je zachována. NEH je geometrický prototyp izolovaný horizont který popisuje a Černá díra v rovnováze s exteriérem z kvazilocal perspektivní. Je založen na konceptu a geometrii NEHs, že dvě kvazikolové definice černých děr, slabě izolované obzory a izolované obzory.

Definice NEHs

Trojrozměrný podmanifold ∆ je definována jako a obecný (rotující a zkreslený) NEH, pokud dodržuje následující podmínky:[1][2][3]


(i) ∆ je nula a topologicky ;
(ii) Podél jakéhokoli nulového normálního pole tečna k ∆, míra odchozí expanze zmizí;
(iii) Všechny polní rovnice platí on a tenzor napětí a energie na ∆ je takový je zaměřen na budoucnost kauzální vektor () pro jakýkoli budoucí nulový normál .


Podmínka (i) je poměrně triviální a pouze uvádí obecnou skutečnost, že z a 3 + 1 perspektiva[4] NEH ∆ je olistěn vesmírnými 2-koulemi ∆ '= S2, kde S2 zdůrazňuje, že ∆ 'je topologicky kompaktní s rod nula (). The podpis of ∆ is (0, +, +) with the degenerate temporal coordinate, and the intrinsic geometry of a foliation leaf ∆ '= S2 je neevoluční. Vlastnictví v podmínce (ii) hraje klíčovou roli při definování NEH a bohaté důsledky v nich zakódované budou podrobně diskutovány níže. Podmínka (iii) umožňuje člověku bez obav použít Newman – Penrose (NP) formalismus[5][6] z Einstein-Maxwellovy polní rovnice k obzoru a jeho blízkému obzoru; samotná energetická nerovnost je navíc motivována z dominantní energetický stav[7] a je dostatečnou podmínkou pro odvození mnoha okrajových podmínek NEH.


Poznámka: V tomto článku v návaznosti na konvenci nastavenou v odkazech,[1][2][3] „klobouk“ nad symbolem rovnosti znamená rovnost na horizontech černé díry (NEHs) a „klobouk“ před veličinami a operátory (, atd.) označuje ty, které jsou na listu foliace obzoru. Také ∆ je Standard symbol pro NEH i směrovou derivaci ∆ v NP formalismu a věříme, že to nezpůsobí dvojznačnost.

Okrajové podmínky vyplývající z definice

Nyní pojďme vypracovat důsledky definice NEHs a tyto výsledky budou vyjádřeny v jazyce NP formalismus s úmluvou[5][6] (Poznámka: na rozdíl od původní konvence[8][9] , toto je obvyklé pro studium zachycených nulových povrchů a kvazilokální definice černých děr[10]). Být nulová normální k ∆, je automaticky geodetické, a kroucení zdarma, . Pro NEH je míra odchozí expanze podél mizí, , a následně . Navíc podle Raychaudhuri-NP expanzní kroucení rovnice,[11]

z toho vyplývá, že na ∆

kde je NP-smykový koeficient. Vzhledem k předpokládané energetické podmínce (iii) máme (), a proto není negativní na g. Produkt je samozřejmě také negativní. Tudíž, a musí být současně nula na ∆, tj. a . Jako shrnutí

Izolovaný horizont ∆ je tedy neevoluční a všechny listy foliace ∆ '= S2 vypadají navzájem shodně. Vztah znamená, že kauzální vektor ve stavu (iii) je úměrný a je úměrný na obzoru ∆; to je a , . Použitím tohoto výsledku na související skaláry Ricci-NP dostaneme , a , tím pádem

Zmizení Skaláry Ricci-NP znamená, že neexistuje žádná energie - hybnost tok z žádný druh poplatku přes horizont, jako např elektromagnetické vlny, Yang – Mills tavidlo nebo dilaton tok. Také by neměla být žádná gravitační vlny překračování obzoru; gravitační vlny jsou však spíše propagací narušení časoprostorového kontinua než toků nábojů, a proto je zobrazeny čtyřmi Weyl-NP skaláry (kromě ) spíše než množství Ricci-NP .[5] Podle Raychaudhuri-NP stříhat rovnice[11]

nebo rovnice NP pole na obzoru

z toho vyplývá, že . Navíc NP rovnice

to naznačuje . Abych to shrnul, máme

což znamená, že,[5] geometricky, a hlavní nulový směr z Weylův tenzor se opakuje dvakrát a je zarovnán s hlavním směrem; fyzicky, žádné gravitační vlny (příčná složka a podélná složka ) vstoupit do černé díry. Tento výsledek je v souladu s fyzickým scénářem definujícím NEH.

Poznámky: Spinové koeficienty související s Raychaudhuriho rovnicí

Pro lepší pochopení předchozí části stručně přezkoumáme významy příslušných NP spinových koeficientů při znázornění nulové shody.[7] The tenzor druh Raychaudhuriho rovnice[12] čte nulové toky

kde je definován tak, že . Množství v Raychaudhuriho rovnici souvisí s rotačními koeficienty via[5][13][14]

kde Eq (10) vyplývá přímo z a

Navíc je nulová shoda nadpovrchová ortogonální -li .[5]

Omezení elektromagnetických polí

Vakuum NEH na kterém jsou nejjednodušší typy NEH, ale obecně mohou existovat různá fyzicky významná pole obklopující NEH, z nichž nás většinou zajímá elektrovakuum pole s . Jedná se o nejjednodušší rozšíření vakuových NEH a čtecí jednotka nonvanishing energy-stress pro elektromagnetická pole čte


kde Odkazuje na antisymetrický (, ) intenzita elektromagnetického pole, a je bez stop () podle definice a respektuje dominantní energetický stav. (Jeden by měl být opatrný s antisymetrií při definování Maxwell-NP skaláry ).

Okrajové podmínky odvozené v předchozí části platí pro generické NEHs. V elektromagnetickém případě lze specifikovat konkrétnějším způsobem. Podle NP formalismu Einstein-Maxwellových rovnic jeden má[5]

kde označit tři Maxwell-NP skaláry. Jako alternativu k Eq () můžeme vidět, že podmínka vyplývá také z rovnice NP

tak jako , tak

Z toho přímo vyplývá


Tyto výsledky ukazují, že neexistují žádné elektromagnetické vlny napříč (, ) nebo podél ( Phi_ {02}) NEH kromě nulové geodetiky generující horizont. Za zmínku stojí také doplňková rovnice v Eq () platí pouze pro elektromagnetická pole; například v případě polí Yang – Mills tam bude kde jsou skaláři Yang – Mills-NP.[15]

Upravená tetrada na NEH a další vlastnosti

K dosažení nejstručnějších popisů NP se obvykle používají nulové tetrady přizpůsobené vlastnostem časoprostoru. Například null tetrad lze upravit na hlavní nulové směry, jakmile Petrovský typ je známo; také v některých typických hraničních oblastech, jako je nula nekonečno, podobný nekonečno, vesmírný nekonečno, horizonty černé díry a kosmologické horizonty, tetrady lze přizpůsobit hraničním strukturám. Podobně, a přednost tetrad[1][2][3] přizpůsobený geometrickému chování na obzoru se v literatuře používá k dalšímu zkoumání NEH.

Jak je naznačeno z pohledu 3 + 1 z podmínky (i) v definici, je NEH fol foliován vesmírnými hypersurfaces ∆ '= S2 příčně k jeho nulové normále podél příchozí nulové souřadnice , kde se řídíme standardním zápisem příchozích Eddington – Finkelsteinovy ​​nulové souřadnice a použít označit 2-rozměrné listy na ; tj. ∆ = ∆ '× [v0,proti1] = S2× [v0,proti1]. je nastaven tak, aby byl zaměřen na budoucnost a vybral první tetradový covector tak jako ,[2][3] a pak bude jedinečné vektorové pole jako nulové normály uspokojení křížové normalizace a afinní parametrizace ; takový výběr by ve skutečnosti poskytlo preferovanou foliaci ∆. Zatímco souvisí s vnějšími vlastnostmi a nulovými generátory (tj. nulové toky / geodetická kongruence na ∆), zbývající dva komplexní nulové vektory mají překlenout vnitřní geometrii listu foliace , tečna k ∆ a příčně k ; to je .

Podívejme se nyní na důsledky tohoto druhu přizpůsobené tetrady. Od té doby

s , my máme

V takto upraveném rámci také derivace na ∆ '× [v0,proti1] = S2× [v0,proti1] by mělo být čistě vnitřní; tedy v komutátoru

koeficienty pro směrové derivace a ∆ musí být nula, to znamená

takže příchozí nulové normální pole je bez kroucení , a se rovná rychlosti příchozí expanze .

Diskuse

Dosud byla zavedena definice a okrajové podmínky NEH. Okrajové podmínky zahrnují podmínky pro libovolný NEH, specifické vlastnosti pro Einstein-Maxwell (elektromagnetické) NEH, jakož i další vlastnosti v adaptované tetradě. Na základě NEH mohou být definovány WIH, které mají platnou povrchovou gravitaci, aby zobecnily mechaniku černé díry. WIH jsou dostatečné pro studium fyziky na obzoru, ale pro geometrické účely,[2] na WIH lze uvalit přísnější omezení, aby bylo možné zavést IH, kde je třída ekvivalence nulových normálů plně zachovává indukované spojení na horizontu.

Reference

  1. ^ A b C Abhay Ashtekar, Christopher Beetle, Olaf Dreyer a kol. Msgstr "Obecné izolované horizonty a jejich aplikace". Dopisy o fyzické kontrole, 2000, 85(17): 3564-3567.arXiv: gr-qc / 0006006v2
  2. ^ A b C d E Abhay Ashtekar, Christopher Beetle, Jerzy Lewandowski. "Geometrie generických izolovaných horizontů". Klasická a kvantová gravitace, 2002, 19(6): 1195-1225. arXiv: gr-qc / 0111067v2
  3. ^ A b C d Abhay Ashtekar, Stephen Fairhurst, Badri Krishnan. „Izolované obzory: Hamiltonovská evoluce a první zákon“. Fyzický přehled D, 2000, 62(10): 104025. gr-qc / 0005083
  4. ^ Thomas W. Baumgarte, Stuart L. Shapiro. Numerická relativita: Řešení Einsteinových rovnic na počítači. Cambridge: Cambridge University Press, 2010. Kapitola 2: 3 + 1 rozklad Einsteinových rovnic, strana 23.
  5. ^ A b C d E F G Jeremy Bransom Griffiths, Jiří Podolský. Přesný časoprostor v Einsteinově obecné relativitě. Cambridge: Cambridge University Press, 2009. Kapitola 2.
  6. ^ A b Valeri P Frolov, Igor D Novikov. Fyzika černé díry: základní koncepty a nový vývoj. Berlin: Springer, 1998. Dodatek E.
  7. ^ A b Eric Poisson. Relativist's Toolkit: The Mathematics of Black-Hole Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press, 2004. Kapitoly 2 a 3.
  8. ^ Ezra T Newman, Roger Penrose. „Přístup k gravitačnímu záření metodou spinových koeficientů“. Journal of Mathematical Physics, 1962, 3(3): 566-768.
  9. ^ Ezra T Newman, Roger Penrose. „Errata: Přístup ke gravitačnímu záření metodou spinových koeficientů“. Journal of Mathematical Physics, 1963, 4(7): 998.
  10. ^ Ivan Booth. "Hranice černé díry". Kanadský žurnál fyziky, 2005, 83(11): 1073-1099. [arxiv.org/abs/gr-qc/0508107 arXiv: gr-qc / 0508107v2]
  11. ^ A b Subrahmanyan Chandrasekhar. Matematická teorie černých děr. Chicago: University of Chicago Press, 1983. Oddíl 9 (a), strana 56.
  12. ^ Sayan Kar, Soumitra SenGupta. Raychaudhuriho rovnice: krátký přehled. Pramana, 2007, 69(1): 49-76. [arxiv.org/abs/gr-qc/0611123v1 gr-qc / 0611123]
  13. ^ David McMahon. Relativity Demystified - Průvodce pro samouky. New York: McGraw-Hill, 2006. Kapitola 9.
  14. ^ Alex Nielsen. Disertační práce: Horizonty černé díry a termodynamika černé díry. University of Canterbury, 2007. Oddíl 2.3. Dostupný online: http://ir.canterbury.ac.nz/handle/10092/1363.
  15. ^ E T Newman, K P Tod. Asymptotically Flat Spacetimes. strana 27, příloha A.2. V držení (editor): Obecná relativita a gravitace: sto let po narození Alberta Einsteina. Vol (2). New York and London: Plenum Press, 1980.