Coordonnées de Boyer-Lindquist
Les coordonnées de Boyer-Lindquist[N 1] sont un système de coordonnées d'espace-temps utilisées pour écrire la métrique du trou noir de Kerr[2] ou d'un trou noir de Kerr-Newmann[3]. Elles généralisent les coordonnées de Schwarzschild[2],[3] : elles sont singulières à l'horizon des événements du trou noir[4]. Elles minimisent le nombre des composantes hors diagonale de la métrique[5],[6]. Elles sont adaptées aux symétries du trou noir : sa stationarité et sa symétrie axiale[7].
Présentation
La notation usuelle des coordonnées est (t, r, θ, ϕ)[2],[8] ou (ct, r, θ, ϕ)[9],[10] avec[11] :
- ,
- ,
- ,
- .
L'espace-temps de Kerr a quatre dimensions et, étant stationnaire, axisymétrique et asymptotiquement plat, il est circulaire[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18]. Pour un tel espace-temps, il existe un système de coordonnées tel que[19],[20] : .
Étant stationnaire et axisymétrique, l'espace-temps de Kerr admet deux champs de vecteurs de Killing qui commutent[15] : et , respectivement associés à la stationnarité et à la symétrie axiale[21]. Les coordonnées de Boyer-Lindquist sont construites de sorte que les composantes et de et soient et [21]. Ainsi les produits scalaires des vecteurs de Killing sont donnés par les composantes de la métrique[22] :
- .
Le changement de coordonnées des coordonnées de Boyer-Lindquist (r, θ, ϕ) vers les coordonnées cartésiennes (x, y, z), est donné par[23],[24] :
- x = √r2 + a2 sin θ cos ϕ,
- y = √r2 + a2 sin θ sin ϕ,
- z = r cos θ,
où a est le rapport entre le moment angulaire et la masse : a = JM (voir trou noir de Kerr pour plus de détails).
Les coordonnées de Boyer-Linquist sont adaptées à un feuilletage 3 + 1 — dit feuilletage de Boyer-Linquist[N 2] — d'un espace-temps axisymétrique. Elles permettent d'exprimer la métrique sous la forme[27] :
- .
La représentation matricielle des coefficients de la métrique est ainsi[27] :
est la fonction lapse[28]. est le vecteur shift[28].
Dans l'expression d'une métrique en coordonnées de Boyer-Lindquist, on trouve un paramètre et des fonctions.
est le paramètre de Kerr[29]. Il est défini par [30],[31] où est la masse et est le moment cinétique[29] ; et est homogène à une longueur[29].
Deux principales fonctions
et sont deux fonctions qui apparaissent dans l'expression d'une métrique en coordonnées de Boyer-Lindquist. Par construction de celles-ci, la métrique est singulière pour ou [2],[9].
est une fonction des deux coordonnées et : [32],[33],[34]. Elle est donnée par : , tant pour la métrique de Kerr[35],[36] que pour celle de Kerr-Newman[37],[38]. Elle est définie de sorte que les composantes et s'annulent pour [39]. C'est le cas pour [2].
est une fonction de la coordonnée : [32],[33],[40]. Elle est définie de sorte que la composante devienne singulière pour [39]. C'est le cas pour et [2]. Les surfaces de coordonnées sont deux horizons. La surface de coordonnée est l'horizon des événements du trou noir[41] ; celle de coordonnée est son horizon de Cauchy[41].
Troisième fonction
Une troisième fonction apparaît souvent dans l'expression d'une métrique en coordonnées de Boyer-Lindquist. Elle est notée [42],[43],[44]. Dans le cas de la métrique de Kerr, elle est définie par[42],[43],[44] : . Il en est de même dans le cas de la métrique de Kerr-Newman[45].
Autres fonctions
, et sont trois autres fonctions qui apparaissent dans l'expression d'une métrique en coordonnées de Boyer-Lindquist[46].
est la fonction lapse déjà rencontrée[47]. est le rayon cylindrique[47] : est la circonférence d'un cercle autour de l'axe de symétrie[48]. est la vitesse angulaire des ZAMOs[47] : . Dans le cas de la métrique de Kerr[46] :
Les composantes de la métrique sont reliées aux fonctions[48]. Dans le cas de la métrique de Kerr[50] :
Histoire
Les éponymes des coordonnées de Boyer-Lindquist[52] sont Robert H. Boyer (-) et Richard W. Lindquist[1],[3],[53].
Notes et références
Notes
Références
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Voir aussi
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Dictionnaires et encyclopédies
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Liens externes
- [Gourgoulhon 2023] (en) Éric Gourgoulhon, Geometry and physics of black holes (notes de cours et de conférences), Medon, LUTH, , 756 p., A4 (présentation en ligne, lire en ligne
[PDF]).
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