最早的吸积盘研究都假设在最内稳定轨道处物质开始自由下落,此处的力矩为0。但是在吸积率很大的时候,这是不对的。于是求解吸积盘就缺少内边界条件了。一个简单的想法是在黑洞的视界面上力矩为0 。
这个假设假设看起来很自然,在此基础上构建的吸积盘模型也能符合一些观测,但是这样的假设到底对不对呢?如果吸积盘内的物质可以看成粒子,那么根据彭罗斯提出的机制,黑洞能量和角动量的减少不是因为黑洞对周围的物质有力矩,而是黑洞吸收了负能粒子。要说明黑洞视界面没有力矩的可能性,需要说明存在一种机制,对于一般物质,旋转黑洞吸收负能负角动量的这种物质后能量和角动量减少,而不是由于受到力矩(对于史瓦西黑洞,没有能量可以提取,也没有力矩的问题)。也就是要证明,能量为负的物质角动量也为负。
这个问题是我两年前的课题,能力有限,没有解决。最近,国外的导师来做报告,说是这个问题已经找到一种说明的办法了。我从他那里了解到一个十分简单的推导。
使用(+~-~-~-)号差,假设$\eta^i$,$\xi^i$分别是类时和轴向Killing矢量场。时空的转动参量
$$
\omega=-\frac{(\eta^i\xi_i)}{(\xi^k\xi_k)}
$$
这个量大于零。局域无转动观者的类时Killing矢量场为
$$
n^i=e^{-\Phi}(\eta^i+\omega\xi^i)
$$
此观者看到的物质的能量为
$$
E=n^i p_i>0
$$
其中$p_i$是4-动量。无穷远静止观者看到的物质能量为
$$
E_0=\eta^i p_i
$$
在能层里$(\eta^i\eta_i)<0$,$E_0<0$是有可能的。 注意到
$$
E=e^{-\Phi}[\eta^i p_i-\omega \xi^i p_i]=e^{-\Phi}[E_0-\omega J_0]>0
$$
所以
$$
E_0>\omega J_0
$$
于是只要$E_0<0$,就有$J_0<0$。这就是一种机制,负能的物质有负角动量。当然,存在这种机制只是说明黑洞视界面没有力矩是可能的,但是并没有绝对的保证。但对于吸积盘研究,这已经很让人感到满足了。
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