[论文解读] Radiation Pressure Supported Stars in Einstein Gravity

Abhas Mitra|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2006

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

该论文提出，在爱因斯坦引力中，当考虑广义相对论效应，特别是在极端引力红移区（z ≫ 1）时，辐射压支持的恒星可以在任意质量下存在。这些恒星以爱丁顿极限辐射，不处于流体静力平衡状态，而是演化为永恒坍缩天体，其寿命在接近黑洞形成时趋近于无穷大。

ABSTRACT

Even when we consider Newtonian stars, i.e., stars with surface gravitational redshift, z 1, it is well known that, theoretically, it is possible to have stars, supported against self-gravity, almost entirely by radiation pressure. However, such Newtonian stars must necessarily be supermassive. We point out that this requirement for excessive large M, in Newtonian case, is a consequence of the occurrence of low z 1. On the other hand, if we remove such restrictions, and allow for possible occurrence of highly general relativistic regime, z 1, we show that, it is possible to have radiation pressure supported stars at arbitrary value of M. Since radiation pressure supported stars necessarily radiate at the Eddington limit, in Einstein gravity, they are never in strict hydrodynamical equilibrium. Further, it is believed that sufficiently massive or dense objects undergo continued gravitational collapse to the Black Hole stage characterized by z 1, and hence could be examples of quasi-stable general relativistic radiation pressure supported stars. It is shown that the observed duration of such Eddington limited radiation pressure dominates states is t ~ 5. 10^8 (1+z) yr. Thus, t --> infty as Black Hole formation (z--> infty) would take place. Consequently, such radiation pressure dominated extreme general relativistic stars become Eternally Collapsing Objects and the BH state is preceded by such an eternal radiation pressure supported phase.

研究动机与目标

• 研究在广义相对论中，不依赖牛顿力学对超大质量的限制，辐射压支持的恒星是否存在可能性。
• 分析高引力红移（z ≫ 1）在使辐射压支持机制在任意质量下可行中的作用。
• 研究此类恒星的动力学演化，特别是其偏离流体静力平衡的特性。
• 探讨这些恒星与通过永恒坍缩阶段形成黑洞之间的联系。

提出的方法

• 在爱因斯坦引力中分析恒星结构方程，将辐射压作为主要支持机制。
• 在相对论区域中，将爱丁顿光度极限用作辐射压主导的约束条件。
• 利用相对论流体动力学和红移依赖的演化关系，推导辐射压主导阶段的 timescale。
• 通过无限时长坍缩的建模，模拟从准稳定辐射压支持态向黑洞形成过渡的过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广义相对论中，辐射压支持的恒星是否可以在任意质量下存在，而无需依赖超大质量尺度？
• RQ2 引力红移（z ≫ 1）如何影响辐射压作为支持机制的可行性？
• RQ3 在极端相对论恒星中，辐射压主导阶段的动力学 timescale 是什么？
• RQ4 爱丁顿限制下的辐射阶段与黑洞形成有何关联？
• RQ5 为何当黑洞形成接近时，此类恒星会成为永恒坍缩天体？

主要发现

• 在允许极端引力红移（z ≫ 1）的爱因斯坦引力中，辐射压支持的恒星可在任意质量下存在。
• 牛顿模型中对超大质量的依赖源于对低红移（z ≲ 1）的限制，而该限制在相对论区域被消除。
• 由于爱丁顿限制下的辐射，此类恒星不处于严格的流体动力学平衡状态，导致持续的引力坍缩。
• 观测到的辐射压主导阶段的持续时间约为 t ≈ 5 × 10^8 (1 + z) 年，随着 z → ∞ 而无界增长。
• 当接近黑洞形成时（z → ∞），坍缩阶段变为永恒，意味着黑洞状态之前会经历一个持续时间极长的、辐射压支持的阶段。
• 因此，这些恒星被归类为永恒坍缩天体，黑洞形成过程因辐射压主导阶段而被无限期延迟。