彭羅斯的宇宙監(jiān)督假設從提出距今已有半個世紀。但至今它仍然是廣義相對論尚未解決的開放性問題之一。根據(jù)彭羅斯的宇宙監(jiān)督假設,任何由于引力坍縮產(chǎn)生的奇點都必須被事件視界所隱藏,這暗示了在我們的宇宙中不可能找到裸奇點。檢驗宇宙監(jiān)督假設的正確性是廣義相對論研究的一個重要的問題。1974年,Wald提出了一個檢測宇宙監(jiān)督假設的理想實驗。假設一個觀測者從無窮遠處向黑洞投入一個測試粒子,如果黑洞吸收了這個粒子后引起事件視界消失,則遠處的觀測者就會看到裸奇點,這就意味著弱的宇宙監(jiān)督假設(WCCC)被違反。利用這種方法,在不考慮測試粒子電磁輻射和粒子對背景影響的情況下,Wald發(fā)現(xiàn)極端Kerr-Newman黑洞視界不會被測試粒子破壞。本論文的著眼點之一就是使用Wald提出的測試粒子方法來檢驗彭羅斯的WCCC的有效性。對于宇宙監(jiān)督假設,目前研究者普遍認為時空奇點只是經(jīng)典廣義相對論產(chǎn)生的結果,如果我們有一個完備的量子引力理論的話,則裸奇點問題自然就可以迎刃而解。但由于至今還沒有一個完備的量子引力理論,所以裸奇點問題仍然是個懸而未解的開放性問題。另一方面,由于越來越多的觀測證據(jù)表明我們的宇宙被暗能量(DE)和冷暗物質(CDM)所主導,其中暗能量推動著宇宙的加速膨脹,暗能量和冷暗物質問題已成為宇宙學迫切需要解決的兩個難題。有研究者認為,一個完備的量子引力理論應該可以解釋暗能量和冷暗物質問題。這樣廣義相對論在局域上需要解決奇性問題,而在大尺度上又要回答暗能量問題。奇性問題和暗能量問題是廣義相對論需要解決的兩個重要問題。在本論文中,研究暗能量和冷暗物質的相互作用問題是另一個著眼點。我們提出了一種協(xié)變的暗能量和冷暗物質相互作用模型來避免在輻射早期由于密度擾動而造成的在大尺度上時空曲率發(fā)散的問題。本論文第一章首先從時空奇點的定義談起,以施瓦西時空為例介紹了坐標奇點和曲率奇點的區(qū)別;接著介紹了引力坍縮的概念和塌縮形成的兩種終態(tài):黑洞或裸奇點;然后又介紹了奇點定理和宇宙監(jiān)督假設及其檢驗;最后我們對標準宇宙學模型和宇宙學線性微擾理論基礎作簡單介紹。在第二章,我們介紹Wald提出的檢測宇宙監(jiān)督假設的理想實驗方法,將測試粒子投入一個黑洞來做WCCC的檢驗。在本論文第三章中,利用第二章介紹的測試粒子研究WCCC的方法,我們研究了三維的極端和近極端Peldan黑洞和MTZ黑洞在吸收一個測試粒子后,是否會導致WCCC的違反。我們發(fā)現(xiàn),只要測試粒子的電荷和能量都合適時是有可能造成WCCC違反的。并且允許破壞黑洞視界的粒子能量范圍很窄,這說明粒子破壞黑洞的能量范圍?E是經(jīng)過精細調節(jié)的。在極端和近極端情況下,我們還計算了測試粒子在Peldan黑洞和MTZ黑洞視界外的有效勢,并用有效勢的分析來說明測試粒子是可以掉入黑洞的。在第四章,我們用測試粒子方法研究了極端和近極端Kerr-Newman-Ad S黑洞的WCCC違反。數(shù)值計算表明允許測試粒子破壞黑洞視界的能量范圍非常窄,這說明所允許的能破壞黑洞的粒子能量范圍?E是經(jīng)過精細調節(jié)的。由于允許測試粒子破壞黑洞視界的能量范圍非常地窄,所以將粒子電磁輻射和粒子對背景時空影響考慮進去之后,WCCC仍然有效是有可能的。此外,在極端和近極端情況下,我們計算了測試粒子在Kerr-Newman-Ad S黑洞視界外的有效勢,用有效勢來說明測試粒子可以掉入黑洞。在第五章,我們提出了一個協(xié)變的暗能量和冷暗物質相互作用模型。利用這種模型,我們分析了密度擾動的演化。我們發(fā)現(xiàn)這種模型可以避免wd為常數(shù)且相互作用項與ρm正比的模型在輻射早期由于密度擾動而造成時空不穩(wěn)定的問題。此外,我們還分析了在輻射時期占主導的非絕熱模式,發(fā)現(xiàn)在輻射時期非絕熱模式正常增長。最后,我們在第六章對本論文做了總結和展望。
【學位單位】：西北大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P159
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 引力坍縮和裸奇點
        1.1.1 黑洞奇點概念
        1.1.2 閔氏時空的穩(wěn)定性
        1.1.3 施瓦西黑洞奇點
        1.1.4 事件視界
        1.1.5 引力坍縮
        1.1.6 引力坍縮的基本形式
        1.1.7 黑洞和裸奇點的形成
    1.2 奇點定理與宇宙監(jiān)督假設
    1.3 標準宇宙學模型
    1.4 FRW宇宙線性微擾方法
        1.4.1 仿射聯(lián)絡和愛因斯坦張量的微擾
        1.4.2 理想流體
        1.4.3 規(guī)范變換及共形牛頓規(guī)范
    1.5 指標記號說明
    1.6 論文結構
第二章 用測試粒子來檢驗WCCC的違反
    2.1 研究背景介紹
    2.2 Wald理想實驗基本思想
    2.3 本章小結
第三章 三維Peldan和MTZ黑洞的WCCC違反
    3.1 Peldan黑洞的WCCC違反
        3.1.1 緒論
        3.1.2 三維Peldan黑洞解
        3.1.3 極端Peldan黑洞的WCCC違反
        3.1.4 近極端Peldan黑洞的WCCC違反
        3.1.5 本節(jié)小結
    3.2 MTZ黑洞的WCCC違反
        3.2.1 緒論
        3.2.2 Martinez-Teitelboim-Zanelli黑洞解
        3.2.3 極端情況
        3.2.4 近極端情況
        3.2.5 本節(jié)小結
    3.3 本章小結
第四章 四維Kerr-Newman-AdS黑洞的WCCC違反
    4.1 緒論
    4.2 極端Kerr-Newman-AdS黑洞WCCC違反
        4.2.1 Kerr-Newman-AdS黑洞解
        4.2.2 Kerr-Newman-AdS時空中測試粒子的運動
    4.3 近極端Kerr-Newman-AdS黑洞WCCC違反
    4.4 本章小結
第五章 一種協(xié)變的暗能量和冷暗物質相互作用模型
    5.1 緒論
    5.2 一種新的DE和CDM相互作用模型
        5.2.1 緒論
        5.2.2 一種協(xié)變的DE-CDM相互作用模型
        5.2.3 密度擾動的演化
        5.2.4 占主導的非絕熱模式
    5.3 本章小結
第六章 結論與展望
附錄 A部分公式推導證明
    A.1公式(4.13)的推導
    A.2公式(5.29)的推導
    A.3公式(5.30)的推導
    A.4公式(5.31)的推導
    A.5公式(5.32)的推導
參考文獻
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致謝
簡歷

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1 文成;裸奇性·負能量·蠕洞與太空旅行[J];天文愛好者;2002年05期

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本文編號：2830639