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

Causal structure

Because we now have only axial symmetry we really need a 3-dim spacetime diagram to encode the causal structure, but the = 0; =2 submanifolds are totally-geodesic, i.e. a geodesic that is initially tangent to the submanifold remains tangent to it, so we can draw 2-dim CP diagrams for them.

= =2

 

 

 

i+

 

 

 

..

 

 

 

....

 

 

 

....

 

 

 

....

 

 

 

....

 

 

 

....

 

...

..

.

...

 

... ...

 

 

.

..

 

 

 

..

 

 

....

..

 

 

naked

 

 

 

singularity

 

...

 

i

at r = 0

 

 

(boundary of disk)

= 0

=+

i0

=

 

.i+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

=

+

 

.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r < 0

.

 

 

r > 0 .

.

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

=

 

. ...

..

 

 

 

 

 

.

...

 

 

 

 

. .

....

 

 

 

.

 

 

.

 

 

 

.

 

 

 

...

 

 

.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

..

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r.

i0

= 0

For = =2 each point in the diagram represents a circle (0 < 2 ). Each ingoing radial geodesic hits the ring singularity at r = 0, which is clearly naked. For = 0 we are considering only geodesics on the axis of symmetry. Ingoing radial null geodesics pass through the disc at r = 0 into the other region with r < 0. We can summarize both diagrams by the single one.

81

 

 

 

 

 

i+

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

.

 

..

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

.. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

......

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

...

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

+

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

.....=...

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.. .

r < 0

 

.

 

 

 

 

 

 

r > 0

. i0

.

.. ..

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.. .

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

......

 

.

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

......

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

ring-singularity

at r = 0

i

The spacetime is unphysical for another reason. Consider the norm of the Killing vector eld m = @=@ :

 

 

 

 

Ma2

 

 

r

!

 

m2

= g = a2 sin2

1 +

r2

+

 

2 sin4

(4.21)

a2

r

 

1 +

a2

cos2

 

 

 

 

 

2

 

Let r=a = (small) and consider = =2 + . Then

m2 =

a2 +

Ma

+ O( ); for 1

(4.22)

 

 

<

0 for su ciently small negative

 

So m becomes timelike near the ring-singularity on the r < 0 branch. But the orbits of m are closed, so the spacetime admits closed timelike curves (CTCs). This constitute a global violation of causality.

Moreover because of the absence of a horizon these CTCs may be deformed to pass through any point of the spacetime (Carter). They also miss the singularity by a distance M, for M a, and M can be arbitrarily large. Since the ring singularity would be naked for M2 < a2, then even if the white hole region is replaced by a collapsing star, we can invoke cosmic censorship to rule out M2 < a2.

(ii)M2 > a2. We still have a ring-singularity but now the metric (in BL coordinates) is singular at r = r+ and r = r . These are coordinate

82

singularities. To see this we de ne new coordinates v and by

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r2 a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dv

 

=

 

dt +

 

 

 

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.23)

 

 

 

d

 

=

 

d +

a

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.24)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This yields the Kerr solution in Kerr coordinates (v; r; ; ) which are

 

analogous to ingoing EF for Schwarzschild:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

ds2

=

a sin

 

 

 

dv2 + 2dv dr

2a sin2 r + a

 

 

dv d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2a sin2 d dr +

 

r2 + a2 2

a2 sin2 i

sin2 d 2 + d 2

(4.25)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This metric is non singular when = 0, i.e. when r = r+ or r = r .

 

Proposition

The hypersurfaces r = r are Killing horizons of the Killing vector elds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= k +

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.26)

 

r2

+ a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

with surface gravities

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

r r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.27)

 

 

 

2

r2 + a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Proof Let N be the hypersurfaces r = r . The normals are

 

 

 

 

 

 

l

 

 

=

 

f grjN @ ;

 

for some non-zero functions f

(4.28)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r2 + a2

 

 

 

 

 

 

@

 

 

 

 

a

@

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

f

 

+

 

 

 

 

 

 

 

(Exercise)(4.29

 

 

 

 

 

r2

+ a2 cos2

@v

r2

+ a2

@

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

 

{z

 

 

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

First

 

/ gvv + r2 + a2 gv + (r2 + a2)2 g =0 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

l2

 

 

 

(4.30)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2a

 

 

 

 

 

 

 

a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

83

cauchy horizon at r = r

so N are null hypersurfaces. Since jN / l , they are Killing horizons of . It remains to compute D . This gives the result for(Exercise).

This result can be used to nd KS type coordinates that cover 4 regions around a BK axis of each Killing horizon, and the = 0 and = =2 CP diagram of the maximal analytic extension of M2 > a2 Kerr can be found. Note that the diagram can be extended in nitely in both time directions.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CTCs .....

.....

 

 

 

..

 

 

 

 

. .. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... .. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.... .

........

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

..... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

.

 

 

 

...... .....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

. .

.

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

.

 

 

 

 

..

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

.

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r < 0 .

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .. .....

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ring

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.... .

 

 

. .. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

. .. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... .

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

. . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . .. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

r = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .. .

 

 

 

II

 

 

 

 

 

 

+.. . i+

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

....

...... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

H..

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

...

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IV

r < r+.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

...

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

..... ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .. .... .

 

 

r > r+

 

 

 

 

 

 

. .. ... i0

 

 

 

internal 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .. .. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

.

III

 

 

 

 

 

 

 

H .. .. ..

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

. . ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

. .. i0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

..

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

. . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.. ..

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

.

 

 

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

.

future event horizon at r = r+

4.2.1Angular Velocity of the Horizon

The event horizon is a Killing horizon of

= k + H m

(4.31)

84

where

 

 

 

 

 

 

H =

a

=

J

(4.32)

 

 

 

 

 

r+2 + a2

2M hM2 + p

 

i

M4 J2

 

In coordinates for which k = @=@t and m = @=@ we have that

 

@ ( H t) = 0

(4.33)

i.e. = H t+constant, on orbits of , whereas is constant on orbits of k. Note that k is unique. Consider

(k + m)2 = gtt + 2 gt + 2g

(4.34)

As long as gt is nite and g r2 as r ! 1, we have (k + m)22r2 > 0 (if 6= 0) as r ! 1. So there can be only one Killing vector

k that is timelike at 1 and normalized s.t. k2 ! 1 as r ! 1.

Thus particles on orbits of rotate with angular velocity H relative to static particles, those on orbits of k, and hence relative to a stationary frame at 1. Since the null geodesic generators of the horizon follow orbits of the black hole is rotating with angular velocity H .

Lemma k = 0 on a Killing horizon, N, of .

Proof

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

jN

mjN

N

 

 

kjN = 2

N

H

 

 

 

(4.35)

=

 

H

m

 

(since 2 = 0 on

 

)

(4.36)

Now, N is a xed point set of m, since m is Killing (Choose coordinates s.t. m = @=@ . The metric is independent, so the position of the horizon is independent of ). So m must be tangent to N or l m = 0 where l is normal to N. But / l on N, so mjN = 0. Hence result.

85

Consistency checks (See Question III.3)

2 = 0 implies that

k2 + 2 H m k m2 H = 0; on N

But k = 0 implies that

k2 + H m k = 0; on N

Consistency requires

D (k m)2

2

 

 

 

 

 

 

 

k2m2 N = 0

 

 

 

For Kerr, D = sin

 

= 0 on N .

Also

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

H =

k2

=

gtt

 

 

 

in BL coordinates

m

 

k

gt

 

 

=

 

 

 

 

a sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

2a

 

 

 

:+

 

 

 

 

 

 

a sin2

r2

+ a2

 

 

 

 

r+2 + a2

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.37)

(4.38)

(4.39)

(4.40)

(4.41)

(4.42)

(iii)M2 = a2 Extreme Kerr

In this case we have a degenerate ( = 0) Killing horizon at r = M of the Killing vector eld

= k + H m; H =

a

(4.43)

2M

The CP diagram is

86

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

.

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

.

 

 

.

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. ..

.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

r =

1..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.....

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

.

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

 

 

 

.

 

 

 

.

...

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .... .....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.......

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

......... .

 

.

 

r > 0

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

....

..

 

 

 

 

.

 

 

.

...

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

..

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

......

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

i+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.....

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

r < 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ring

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

singularity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

r < M... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .. .

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

at r = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .. ..

..

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.. ... .

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. ..=..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

. .

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .. .

 

.

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.....

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ... ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

internal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

..

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ...

... .

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

r > M

 

 

..

...

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .. .

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

. ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.. .. .

 

 

.

 

 

.. ...

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

.

 

.

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

future event horizon

(and future Cauchy horizon) at r = M

i0

So there can be only one Killing vector k for which k k ! 1 as r ! 1.

N.B. If you change the sign of r in the Kerr metric this e ectively changes the sign of M.

87

4.3The Ergosphere

Although k is timelike at 1 it need not be timelike everywhere outside the horizon. For Kerr,

 

 

 

 

 

a2 sin2

 

= 1

Mr

 

 

k2 = gtt =

 

 

 

 

 

2

(4.44)

 

 

 

 

r2 + a2 cos2

so k is timelike provided that

 

 

 

 

 

 

 

r2 + a2 cos2 2Mr > 0

 

 

 

 

 

 

(4.45)

For M2 a2 this implies that

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ M

2

 

 

a2 cos2

 

 

 

 

 

 

r > M pp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.46)

(or r < M M2 a2 cos2 , but this is not physically relevant).

The boundary of this region, i.e. the hypersurface p

r = M + M2 a2 cos2

(4.47)

is the ergosphere. The ergosphere intersects the event horizon at = 0; , but it lies outside the horizon for other values of . Thus, k can become spacelike in a region outside the event horizon. This is called the ergoregion.

ergosphere .

event . horizon

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... ...

........

 

.....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

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

 

 

 

 

 

 

.

..

..

 

..

..

 

 

..

 

..

..

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

..

 

 

 

.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

........

 

........

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

..

 

..

..

 

..

..

...

..

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

..

 

.

 

 

.

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

..

 

..

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

..

..

 

..

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

..

..

..

 

 

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

..

 

 

..

..

..

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

...

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

...

 

 

...

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

.. . ..

..

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

.

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

. ..

.

.

...

 

..

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

.

 

= 0

.

.. ..

.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r = r+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ...

 

.

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

..

 

 

..

 

 

 

..

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . .

 

 

..

 

 

 

.

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

..

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

...

 

...

..

...

 

...

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

..

 

 

..

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

..

 

 

 

.. ..

.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

.

r = M +

p

2

 

a

2

cos

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . .

 

 

. . .

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

..

..

..

 

 

.. ..

..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

.

 

 

 

..

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

.. ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.... ....

 

...

....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. ..

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . .

 

 

 

.. .

 

 

 

 

 

 

. ergoregion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

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

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

..

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= =2

4.4The Penrose Process

Suppose that a particle approaches a Kerr black hole along a geodesic. If p is its 4-momentum we can identify the constant of the motion

E = p k

(4.48)

88

as its energy (since E = p0 at 1). Now suppose that the particle decays into two others, one of which falls into the hole while the other escapes to

1.

 

 

 

 

 

 

..

..........horizon

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

E

 

 

.

 

 

.....

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..... .

 

 

 

BH .

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

.

 

 

. 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

E1

= p1

k

 

 

 

.

..

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

E2 = p2 k

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

By conservation of energy

E2 = E E1

(4.49)

Normally E1 > 0 so E2 < E, but in this case

E1 = p1 k

(4.50)

which is not necessarily positive in the ergoregion since k may be spacelike there. Thus, if the decay takes place in the ergoregion we may have E2 > E, so energy has been extracted from the black hole.

4.4.1Limits to Energy Extraction

For particles passing through the horizon at r = r+ we have

p 0

(4.51)

Since is future-directed null on the horizon and p is future-directed timelike or null. Since = k + H m,

E H L 0

(4.52)

89

where L = p m is the component of the particle's angular momentum in the direction de ned by m (only this component is a constant of the motion). Thus

L

E

(4.53)

H

If E is negative, as it is for particle 1 in the Penrose process then L is also negative, so the hole's angular momentum is reduced. We end up with a hole of mass M + M and angular momentum J + J where M = E andJ = L so

 

 

 

 

 

2M M2 + p

 

 

 

 

J

 

M

=

M4 J2

M

(4.54)

 

 

 

 

 

H

 

J

 

 

 

from formula for H . This is equivalent to (Exercise)

 

M2 + p

 

0

 

 

 

M4 J2

 

 

(4.55)

(This quantity must increase in the Penrose process).

Lemma A = 8 hM2 + pM4 J2i is the `area of the event horizon', of a

Kerr black hole (i.e. area of intersection of H+ with partial Cauchy surface, e.g. area of v = constant, r = r+ in Kerr coordinates (See Question III.5).

Corollary Energy extraction by Penrose process is limited by the requirement that A 0. This is a special case of the second law of black hole mechanics.

4.4.2Super-radiance

The Penrose process has a close analogue in the scattering of radiation by a Kerr black hole. For simplicity, consider a massless scalar eld . Its stress tensor is

 

 

 

 

 

 

1

g (@ )2

 

 

 

 

 

T = @ @

 

 

 

 

 

(4.56)

2

 

 

 

 

Since D T = 0 we have

 

 

 

 

 

 

D (T k ) = T D k = 0

 

 

 

 

(4.57)

so we can consider

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= T

 

 

 

= @

 

k @ +

1

 

2

 

j

 

 

k

 

 

 

k

(@ )

 

(4.58)

 

 

 

 

2

 

90

Соседние файлы в предмете Физика