[论文解读] On the question of trapped surfaces and black holes

Abhas Mitra|arXiv (Cornell University)|May 30, 2001

Relativity and Gravitational Theory参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文认为，由于与物质粒子世界线的类时性质存在根本性冲突，广义相对论中不可能存在黑洞（BHs）；相反，它提出观测到的黑洞候选体（BHCs）实为具有刚性表面的‘永恒致密天体’（ECOs），可避免奇点。这些ECOs可通过洛伦兹因子γ ~ 几的相对论性电浆流解释硬X射线尾，与标准中子星不同，且通过要求M(r) → 0当R → 0，避免了黑洞的无限固有长度悖论。

ABSTRACT

There are many observational evidences for the detection of compact objects with masses significantly larger (in galactic cases) or much larger (in extragalactic cases) than the upper limits of masses of em cold Neutron Stars. Such compact objects are commonly interpreted as Black Holes (BHs). However, we point out that while such Black Hole Candidates (BHCs) must be similar to BHs in many respects they, actually, can not be BHs because existence of Black Holes would violate the basic tenet of the General Theory of Relativity that the worldline of a material particle must be TIMELIKE at any regular region of spacetime. We arrive at this unique conclusion by approaching the problem from various directions. We feel that such ``operational'' Black Holes could be able to explain hard X-ray tail found in the galactic BHCs because Lorentz factor of the plasma accreting on such objects should be considerably higher than the corresponding NS case.

研究动机与目标

• 解决广义相对论要求粒子世界线为类时与存在事件视界的黑洞之间的矛盾。
• 在不依赖标准黑洞吸积物理的前提下，解释银河系黑洞候选体中观测到的硬X射线尾。
• 证明在广义相对论下，球对称引力坍缩中无法形成束缚表面。
• 提出观测到的BHCs并非真正的黑洞，而是具有刚性表面的致密天体，可避免奇点。
• 将观测数据（如X射线光度和偏振）与非黑洞模型（如ECOs或自引力费米子球）相协调。

提出的方法

• 使用具有不变周长坐标R的球对称时空度规，分析径向世界线。
• 应用类时测地线的条件ds² ≥ 0，推导出对g₀₀和g₁₁的约束，表明V ≤ 1意味着g₀₀ ≥ 0。
• 使用共动坐标(r,t)分析球对称引力坍缩，推导出约束Γ² = 1 + U² - 2GM(r)/R。
• 将Γ和U重新解释为dR/dl和dR/dτ，将约束表示为Γ²(1 - V²) = 1 - 2GM(r)/R。
• 表明右侧必须≥ 0，因此2GM(r)/R ≤ 1，证明在球对称坍缩中无法形成束缚表面。
• 得出结论：真正的黑洞奇点要求在R → 0时M(r) → 0，意味着中心处引力质量为零。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广义相对论下，球对称引力坍缩中能否形成束缚表面？
• RQ2 黑洞事件视界的存在是否违反了物质粒子世界线的类时性质？
• RQ3 观测到的黑洞候选体（BHCs）能否由非真正黑洞的天体解释？
• RQ4 致密天体吸积流中能达到的最大洛伦兹因子是多少？它能否解释硬X射线尾？
• RQ5 对Sgr A*等BHCs观测到的X射线辐射，是更可能由吸积过程还是ECOs的同步辐射解释？

主要发现

• 由于类时世界线条件要求2GM(r)/R ≤ 1，束缚表面在球对称引力坍缩中无法形成。
• 真正的黑洞要求中心奇点具有零引力质量，与有限质量黑洞的存在相矛盾。
• 坍缩最终形成的奇点必须满足M(r) → 0当R → 0，意味着中心天体并非大质量奇点。
• ECOs上的吸积流可达到洛伦兹因子γ ~ 几，足以解释硬X射线尾，而中子星的γ ~ 1.1则不足以解释。
• 同步辐射比ADAF吸积更能解释类星体和Sgr A*等BHCs中的低光度X射线辐射，尤其考虑到观测到的偏振和光度限制。
• 超大质量BHC Sgr A*更可能由质量为mf ~ 15.9 keV的弱相互作用费米子组成的自引力球体解释，与观测到的质量和动力学一致。