[論文レビュー] Thermodynamics and Weak Cosmic Censorship Conjecture in Nonlinear Electrodynamics Black Holes via Charged Particle Absorption

Peng Wang, Houwen Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2019

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 93被引用数 18

ひとこと要約

本稿は、非線形電磁力学（NLED）におけるD次元漸近的にAdSなブラックホールの熱力学および弱い宇宙監視仮説（WCCC）を、荷電粒子の吸収を用いて調査する。ハミルトニアン・ジャコビ法を用いて、通常および拡張された位相空間における熱力学の第一法則を導出し、極端および準極端ブラックホールにおけるWCCCの有効性を確認した。また、NLEDパラメータの変化に応じてエントロピーが増加または減少することを示し、パラメータが変化する際、拡張位相空間において極限に近い状態で第二法則が破られることが判明した。

ABSTRACT

We first obtain the $D$-dimensional asymptotically AdS charged black hole solution in general nonlinear electrodynamics (NLED). We then use the Hamilton-Jacobi method to describe the motion in curved spacetime of a scalar particle and a fermion, which, as we show, satisfy the same Hamilton-Jacobi equation. With absorbing a charged particle, the variation of the generic charged NLED black hole is calculated in the normal and extended phase spaces. In the normal phase space, where the cosmological constant and dimensionful parameters in NLED are fixed, the first and second laws of thermodynamics are satisfied. In the extended phase space, where the cosmological constant and dimensionful parameters in NLED are treated as thermodynamic variables, the first law of thermodynamics is also satisfied. However, the black hole entropy can either increase or decrease depending on the changes in the dimensionful parameters. Furthermore, we find that the weak cosmic censorship conjecture is valid for the extremal and near-extremal black holes in the both phase spaces.

研究の動機と目的

• 一般の非線形電磁力学（NLED）におけるD次元漸近的にAdSな荷電ブラックホール解を導出すること。
• 荷電粒子吸収下での通常および拡張位相空間における熱力学の第一および第二法則を調査すること。
• 極端および準極端NLED-AdSブラックホールにおける弱い宇宙監視仮説（WCCC）の有効性を検証すること。
• NLEDの次元を持つパラメータの変化がブラックホールのエントロピーおよび熱力学的安定性に与える影響を検討すること。
• 拡張位相空間において、Einstein-Maxwell系およびBorn-Infeldブラックホールと比較すること。

提案手法

• 次元を持つパラメータを有する一般の非線形電磁力学ラグランジアンを用いて、D次元のNLED-AdSブラックホール解を導出する。
• 曲がった時空におけるスカラーおよびフェルミオン粒子の運動を記述するためのハミルトニアン・ジャコビ法を適用し、両者が同一の式を満たすことを示す。
• テスト粒子近似下で、荷電粒子吸収後の質量、電荷、宇宙定数、およびNLEDパラメータ（a_i）の変化を計算する。
• 通常位相空間（パラメータを固定）および拡張位相空間（パラメータを熱力学変数として扱う）における熱力学の第一法則を評価する。
• 計量関数f(r)のr_minにおける最小値を評価し、ホライズン構造を特定し、WCCCを検証する。
• r_min近傍におけるf(r)の摂動的展開を用いて、吸収後の最終状態が極端であるか非極端であるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 荷電粒子吸収下で、通常および拡張位相空間におけるNLED-AdSブラックホールの熱力学の第一法則は成立するか？
• RQ2 NLEDの次元を持つパラメータの変化が、ブラックホールのエントロピーおよび第二法則の有効性に与える影響は何か？
• RQ3 極端および準極端NLED-AdSブラックホールが荷電粒子を吸収する際、弱い宇宙監視仮説（WCCC）は保持されるか？
• RQ4 拡張位相空間において、極端および準極端NLEDブラックホールの第二法則は破られることがあるか？
• RQ5 Einstein-MaxwellおよびBorn-Infeldの場合と比較すると、結果はどのように異なるか。特に拡張位相空間において。

主な発見

• 荷電粒子吸収下で、一般のNLED-AdSブラックホールにおいて、通常および拡張位相空間の両方で熱力学の第一法則が成立する。
• 拡張位相空間において、ブラックホールのエントロピーはNLEDの次元を持つパラメータ（a_i）の変化に応じて増加または減少するため、第二法則の挙動は不定になる。
• 極端ブラックホールにおいて、弱い宇宙監視仮説は満たされる。荷電粒子を吸収後もブラックホールは極端のままである。
• 準極端ブラックホールにおいて、吸収後もブラックホールは非極端のままである。これにより、両位相空間におけるWCCCの有効性が確認された。
• 次元を持つパラメータa_iが変化する際、極限に近い状態において拡張位相空間で第二法則が破られるが、第一法則およびWCCCは成立している。
• 結果はEinstein-Maxwell系（L = s）のケースを再現し、通常位相空間では従来のBorn-Infeldブラックホールの研究と整合的であるが、a_iが変化する際の拡張位相空間では相違が生じる。