Метрика Шварцшильда: звезды против черных дыр

Фон

Метрику Шварцшильда можно использовать для описания геометрии вакуумного пространства-времени вне сферического массивного объекта. Для звезды радиуса р (что больше, чем соответствующий радиус Шварцшильда р С ), мы обычно используем метрику Шварцшильда для описания геометрии пространства-времени вокруг звезды для радиальных расстояний, превышающих р . (Для справки см. начало страницы 287 в [1].) С другой стороны, когда мы изучаем геометрию пространства-времени вокруг черной дыры радиусом р С , мы обычно описываем геометрию пространства-времени вплоть до внутренней сингулярности.

Вопрос

Мой вопрос двоякий. Во-первых, при наличии подходящей функции плотности массы мы можем распространить метрику Шварцшильда на внутреннюю часть звезды? Во-вторых, почему мы описываем черную дыру до внутренней сингулярности, а не звезду? Более того, в чем разница в метрике между центром черной дыры и центром звезды?

Из-за недостатка знаний я понимаю, что возможно мои вопросы некорректны. Поэтому, если это так, я был бы рад любым разъяснениям.

Рекомендации

[1] Бернард Ф. Шютц, ПЕРВЫЙ КУРС ОБЩЕЙ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ . Кембриджский университет пр., Кембридж, Великобритания, 2009 г.

Ответы (3)

Во-вторых, почему мы описываем черную дыру до внутренней сингулярности, а не звезду?

Потому что можно показать, что если вся масса объекта находится внутри его радиуса Шварцшильда, то согласно классической общей теории относительности он коллапсирует в сингулярность. См. Предел Толмена-Оппенгеймера-Волкова .

Метрика Шварцшильда действительна только в вакууме вокруг сферически-симметричного объекта. Для классической черной дыры метрика Шварцшильда будет работать для любой точки, кроме сингулярности, содержащей всю массу. Ваше замешательство, вероятно, возникло из-за того, что вы думали, что внутри горизонта событий повсюду есть масса. Но классически все, кроме сингулярности, есть вакуум.

После включения эффектов квантовой гравитации все станет сложным и не совсем понятным. Квантовая гравитация обычно не допускает точных сингулярностей. В теории струн Пушистый шар и планковская звезда в петлевой квантовой гравитации являются некоторыми альтернативами точным сингулярностям.

Я полагаю, помимо вакуума, у вас также могут быть вещи, которые в настоящее время находятся в процессе провала?
@PaŭloEbermann Извините, я пропустил ваш комментарий. Если что-то с очень малой массой (называемое «пробной частицей») падает на черную дыру, мы можем пренебречь его эффектами. Но если вы бросите что-то с большой массой в сторону черной дыры, оба предположения, что 1) снаружи вакуум и 2) существует вращательная симметрия, будут нарушены, и метрика Шварцшильда не даст правильных результатов.

Вы можете взглянуть на внутреннее решение Шварцшильда , которое описывает метрику внутри сферически-симметричной несжимаемой массы постоянной плотности и с нулевым давлением на ее поверхности.

Это (в геометрических координатах)

д с 2 "=" 1 4 ( 3 1 ( р с / р г ) 1 р 2 р с / р г 3 ) 2 д т 2 д р 2 1 р 2 р с р г 3 р 2 ( д θ 2 + грех 2 θ д ф 2 )
где р с "=" 2 г М и р г r-координата поверхности.

Стоит отметить, что давление в центре становится бесконечным для р с "=" ( 8 / 9 ) р г ( предел Бухдаля ), и это, вероятно, определенный предел для любого материала. На практике звезды гораздо менее устойчивы к сжатию.

Обратите внимание, что метрика в центре р "=" 0 полностью хорошо определен и дружелюбен, пока давление конечно. В целом, для данного отрезка времени это в основном (гипер)сферическая шапка, плавно переходящая во внешнее (вакуумное) решение.

Теперь выполнение такого рода анализа для более сложного поля плотности или давления требует гораздо больше усилий. И сделать это для динамической ситуации, такой как коллапс звезды, гораздо сложнее: не существует известных реальных аналитических решений этой проблемы для реальных полей материи.

Несжимаемая масса постоянной плотности имеет бесконечную скорость звука. Не будет ли это нарушением предположений относительности?
Нет. Потому что теория относительности не ограничивает типы материи, которые могут существовать — это работа для других частей физики, таких как энергетические условия.
Но относительность ограничивает максимально возможную скорость. Итак, если предположить, что материал нарушает это ограничение скорости, то это также нарушает теорию относительности, не так ли?

Как вы сказали, метрика Шварцшильда применима к статическому, сферически-симметричному, вакуумному пространству-времени. Метрика Шварцшильда применима вплоть до сингулярности черной дыры, потому что область внутри горизонта событий представляет собой вакуум: г мю ν "=" Т мю ν "=" 0 . Внутренняя часть такого тела, как звезда, очевидно, не является вакуумом, поэтому метрика Шварцшильда здесь неприменима. Вместо этого вам придется решать уравнения поля для соответствующего тензора энергии-импульса при условии, что решение, конечно же, соответствует метрике Шварцшильда на поверхности. Например, простой моделью может быть идеальная жидкость с плотностью р и давление п :

Т мю ν "=" р ты мю ты ν + п ( г мю ν + ты мю ты ν ) ,
где ты мю точки в направлении времениподобного векторного поля Киллинга. Вы можете найти подробное описание этого случая в разделе 6.2 книги Wald (1984).