Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

P.K.Townsend - Black Holes

.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
07.05.2013
Размер:
769.18 Кб
Скачать

Chapter 2

Schwarzschild Black Hole

2.1Test particles: geodesics and a ne parameterization

Let C be a timelike curve with endpoints A and B. The action for a particle of mass m moving on C is

I = mc2

ZAB d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.1)

where is proper time on C. Since

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d =

ds2 =

 

dx dx g

 

 

=

 

 

x x g d

(2.2)

where is an arbitrary parameter on C and x

 

=

 

, we have

 

 

d

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I [x] = m Z AB d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x g

 

(c = 1)

 

 

 

(2.3)

The particle worldline, C, will be such that I= x( ) = 0. By de nition, this is a geodesic. For the purpose of nding geodesics, an equivalent action is

1

B

 

 

 

 

Z A

I [x; e] =

 

d e 1( )x x g m2e( )

(2.4)

2

where e( ) (the `einbein') is a new independent function.

11

Proof of equivalence (for m 6= 0)

 

 

I

 

1

 

 

 

 

1 d

 

 

 

= 0

)

e =

 

p x x g =

 

 

 

 

(2.5)

 

e

m

m

d

and (exercise)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

)

 

D( )x = (e 1e)x

 

 

 

= 0

 

(2.6)

 

x

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

D( )V ( )

 

V + x

V

(2.7)

d

If (2.5) is substituted into (2.6) we get the EL equation I= x = 0 of the original action I[x] (exercise), hence equivalence.

The freedom in the choice of parameter is equivalent to the freedom in the choice of function e. Thus any curve x ( ) for which t = x ( ) satis es

D( )t V = f(x)t

(arbitrary f)

(2.8)

is a geodesic. Note that for any vector eld on C, V (x( )),

 

t D V

t @ V + t V

(2.9)

 

 

d

 

 

=

 

 

V + x V

(2.10)

 

d

=

D( )V

 

(2.11)

Since t is tangent to the curve C, a vector eld V on C for which

 

D( ) = f( )V (arbitrary f)

(2.12)

is said to be parallely transported along the curve. A geodesic is therefore a curve whose tangent is parallely transported along it (w.r.t. the a ne connection).

A natural choice of parameterization is one for which

 

D( )t = 0 (t = x )

(2.13)

This is called a ne parameterization. For a timelike geodesic it corresponds to e( ) = constant, or

/ + constant

(2.14)

12

The einbein form of the particle action has the advantage that we can take the m ! 0 limit to get the action for a massless particle. In this case

I

= 0

) ds2 = 0 (m = 0)

(2.15)

e

while (2.6) is unchanged. We still have the freedom to choose e( ) and the choice e = constant is again called a ne parameterization.

Summary

 

 

 

 

Let t =

dx ( )

 

and =

1

m 6= 0 .

d

0

 

 

 

m = 0

Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t Dt

D( )t = 0

 

(2.16)

 

 

ds2 = d 2

 

 

 

are the equations of a nely-parameterized timelike or null geodesics.

2.2Symmetries and Killing Vectors

Consider the transformation

 

 

 

 

x ! x k (x);

(e ! e)

 

(2.17)

Then (Exercise)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

I [x; e] ! I [x; e]

 

Z A

d e 1x x ($k g) + O 2

(2.18)

2

where

 

 

 

 

 

 

 

($kg)

= k g; + k

g + k

g

(2.19)

 

 

 

 

;

;

 

 

 

= 2D( k ) (Exercise)

 

(2.20)

Thus the action is invariant to rst order if

 

$kg = 0

 

 

 

 

 

 

(2.21)

A vector eld k (x) with this property is a Killing vector eld. k is associated with a symmetry of the particle action and hence with a conserved charge. This charge is (Exercise)

Q = k p

(2.22)

13

where p is the particle's 4-momentum.

 

p =

@L

= e 1x g

(2.23)

 

 

 

@x

 

 

 

 

 

dx

 

=

m

 

g when m 6= 0

(2.24)

d

Exercise Check that the Euler-Lagrange equations imply

 

 

dQ

 

 

 

 

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

Quantize, p ! i@=@x i@ . Then

 

Q ! ik @

(2.25)

Thus the components of k can be viewed as the components of a di erential operator in the basis f@ g.

k k @

(2.26)

It is convenient to identify this operator with the vector eld. Similarly for all other vector elds, e.g. the tangent vector to a curve x ( ) with a ne parameter .

t = t @

 

 

dx

 

d

=

 

 

@ =

 

(2.27)

 

d

 

 

 

 

 

 

d

For any vector eld, k, local coordinates can be found such that

k = @=@

 

(2.28)

where is one of the coordinates. In such a coordinate system

$kg =

@

 

g

 

(2.29)

 

 

 

 

@

 

So k is Killing if g is independent of .

e.g. for Schwarzschild @tg = 0, so @=@t is a Killing vector eld. The

conserved quantity is

 

 

 

dx

 

dt

 

mk

 

g = mg00

 

= m" (" = energy/unit mass)

(2.30)

 

d

d

14

2.3Spherically-Symmetric Pressure Free Collapse

While it is impossible to say with complete con dence that a real star of mass M 3M will collapse to a BH, it is easy to invent idealized, but physically possible, stars that de nitely do collapse to black holes. One such `star' is a spherically-symmetric ball of `dust' (i.e. zero pressure uid). Birkho 's theorem implies that the metric outside the star is the Schwarzschild metric. Choose units for which

G = 1; c = 1:

 

 

 

 

 

 

 

(2.31)

Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds2 = 1

2M

 

 

M

 

1

 

 

 

 

 

 

dt2

+ 1

2

 

 

dr2 + r2d 2

 

(2.32)

r

r

 

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d 2 = d 2 + sin2 d'2

(metric on a unit 2-sphere)

 

(2.33)

This is valid outside the star but also, by continuity of the metric, at the

surface. If r = R(t) on the surface we have

 

 

 

 

 

 

 

2M

 

M

1

 

 

d

ds2 = " 1

 

 

1

2

 

 

R_ 2# dt2+R2d 2;

R_ =

 

 

R (2.34)

R

R

 

dt

On the surface zero pressure and spherical symmetry implies that a point on the surface follows a radial timelike geodesic, so d 2 = 0 and ds2 = d 2, so

 

1 = " 1

2M

1

 

2M

 

 

1

R_ 2#

 

dt

 

2

 

 

(2.35)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

R

 

d

 

 

 

But also, since @=@t is a Killing vector we have conservation of energy:

 

 

 

dt

 

 

1

2M

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

" = g00

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

(energy/unit mass)

(2.36)

d

 

R

d

 

 

" is constant on the geodesics. Using this in (2.35) gives

 

 

1 = " 1

2M

 

 

 

 

 

 

 

 

2M

 

 

1

R_ 2# 1

2M

2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

"2

(2.37)

 

R

 

R

 

 

 

R

or

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

2M

 

2

 

2M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R_ 2 =

 

 

 

 

 

 

1 + "2

 

 

 

 

 

 

 

(2.38)

 

"2

R

 

 

R

 

 

 

 

 

(" < 1 for gravitationally bound particles).

15

_ 2

R .

 

.

 

 

 

 

.

 

 

 

 

.

 

 

 

.

.

 

 

 

. .

 

. .

 

 

 

 

2M

Rmax2M

R

 

=

 

.

 

1 "2

_

R = 0 at R = Rmax so we consider collapse to begin with zero velocity at this radius. R then decreases and approaches R = 2M asymptotically as t ! 1. So an observer `sees' the star contract at most to R = 2M but no further.

However from the point of view of an observer on the surface of the star, the relevant time variable is proper time along a radial geodesic, so use

 

 

d

 

 

 

 

 

dt

1

 

d

 

1

 

 

2M

 

d

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

1

 

 

 

 

 

 

(2.39)

 

 

dt

d

 

 

d

"

 

R

d

 

 

to rewrite (2.38) as

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dR

 

2

 

 

2M

1

+ "2

= (1 "2)

Rmax

1

 

 

 

 

 

=

 

 

 

(2.40)

 

 

d

 

R

R

 

dR

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

.

 

 

.

 

 

.

 

 

.

 

 

.

. R

 

2M

0

Rmax

 

 

.

16

Surface of the star falls from R = Rmax through R = 2M in nite proper time. In fact, it falls to R = 0 in proper time

=

M

(Exercise)

(2.41)

(1 ")3=2

Nothing special happens at R = 2M which suggests that we investigate the spacetime near R = 2M in coordinates adapted to infalling observers. It is convenient to choose massless particles.

On radial null geodesics in Schwarzschild spacetime

 

dt2

1

 

 

dr2 (dr )2

(2.42)

=

 

 

1 2Mr

2

where

 

 

 

 

 

2M

 

 

r = r + 2M ln

 

r 2M

 

(2.43)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

is the Regge-Wheeler radial coordinate. As r ranges from 2M to 1, r ranges from 1 to 1. Thus

d(t r ) = 0

on radial null geodesics

(2.44)

De ne the ingoing radial null coordinate v by

 

v = t + r ;

1

< v <

1

(2.45)

 

 

 

and rewrite the Schwarzschild metric in ingoing Eddington-Finkelstein coordinates (v; r; ; ).

 

 

M

 

 

 

ds2 =

1

2

 

dt2 + dr 2

+ r2d 2

(2.46)

r

 

1

M

dv2 + 2dr dv + r2d 2

 

=

2

(2.47)

r

This metric is initially de ned for r > 2M since the relation v = t + r (r) between v and r is only de ned for r > 2M, but it can now be analytically continued to all r > 0. Because of the dr dv cross-term the metric in EF coordinates is non-singular at r = 2M, so the singularity in Schwarzschild coordinates was really a coordinate singularity. There is nothing at r = 2M to prevent the star collapsing through r = 2M. This is illustrated by a Finkelstein diagram, which is a plot of t = v r against r:

17

t = v

 

r

r = 2M

 

 

 

singularity

r = 0...... ...........

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... .

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

radial outgoing null

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

geodesic at r = 2M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

.

..

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

....

 

 

 

 

 

 

 

 

surface of the star

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

......

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

increasing v

 

 

 

.

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

...

 

 

 

 

 

 

 

...

.

...

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ...

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

....

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

..

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

...

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

....

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

collapsing

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

.

.

 

......

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

star

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

lines of constant.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

light cone

. r

The light cones distort as r ! 2M from r > 2M, so that no future-directed timelike or null worldline can reach r > 2M from r 2M.

Proof When r 2M,

 

 

 

1 dv2 + r2d 2

 

 

 

ds2

+

M

 

2dr dv =

2

 

(2.48)

r

 

0 when ds2 0

 

 

(2.49)

for all timelike or null worldlines dr dv 0. dv > 0 for future-directed worldlines, so dr 0 with equality when r = 2M, d = 0 (i.e. ingoing radial null geodesics at r = 2M).

2.3.1Black Holes and White Holes

No signal from the star's surface can escape to in nity once the surface has passed through r = 2M. The star has collapsed to a black hole. For

18

the external observer, the surface never actually reaches r = 2M, but as r ! 2M the redshift of light leaving the surface increases exponentially fast and the star e ectively disappears from view within a time MG=c3. The late time appearance is dominated by photons escaping from the unstable photon orbit at r = 3M.

The hypersurface r = 2M acts like a one-way membrane. This may seem paradoxical in view of the time-reversibility of Einstein's equations. De ne the outgoing radial null coordinate u by

u = t r ; 1 < u < 1

(2.50)

and rewrite the Schwarzschild metric in outgoing Eddington-Finkelstein coordinates (u; r; ; ).

ds2 = 1

M

du2 2dr du + r2d 2

 

2r

(2.51)

This metric is initially de ned only for r > 2M but it can be analytically continued to all r > 0. However the r < 2M region in outgoing EF coordinates is not the same as the r < 2M region in ingoing EF coordinates. To see this, note that for r 2M

 

 

+

M

1 du2 + r2d 2

 

2dr du =

ds2

2

(2.52)

r

 

0 when ds2 0

(2.53)

i.e. dr du 0 on timelike or null worldlines. But du > 0 for future-directed worldlines so dr 0, with equality when r = 2M, d = 0, and ds2 = 0. In this case, a star with a surface at r < 2M must expand and explode through r = 2M, as illustrated in the following Finkelstein diagram.

19

u + r

r = 0 ..............

....

..

singularity... ...............

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

...

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

...

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

.

...

 

 

 

 

 

u

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

increasing..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ... ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

....

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

......

.... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

......

 

 

 

 

 

 

 

....

......

 

 

......

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

..

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lines of constant u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

..... ....... .

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

. ...

 

 

 

 

 

 

.

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

..

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

.......

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

......... . surface of star

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . ..

...... ....... . r = 2M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

.

.

.

r

.

This is a white hole, the time reverse of a black hole. Both black and white holes are allowed by G.R. because of the time reversibility of Einstein's equations, but white holes require very special initial conditions near the singularity, whereas black holes do not, so only black holes can occur in practice (cf. irreversibility in thermodynamics).

2.3.2Kruskal-Szekeres Coordinates

The exterior region r > 2M is covered by both ingoing and outgoing Eddington-Finkelstein coordinates, and we may write the Schwarzschild metric in terms of (u; v; ; )

 

2M

du dv + r2d 2

 

ds2

= 1 r

(2.54)

We now introduce the new coordinates (U; V ) de ned (for r > 2M) by

U = e u=4M ; V = ev=4M

(2.55)

20

Соседние файлы в предмете Физика