高维Lovelock引力下天体的平衡与坍缩

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本文研究了高维时空中Lovelock引力理论下的稳定天体,以及一旦发生引力坍缩后天体的最终命运。对于处于静力平衡的天体,我们在5维以上的二阶Lovelock理论中讨论了引力被内部压强所平衡的球对称含压理想流体。我们给出了度规的解析解,指出这个解在天体外部回到真空解,并推出了制约天体内部压强与密度分布的推广的TOV方程。我们发现,二阶Lovelock修正项的存在会改变星体的热能与引力能,以及来自星体表面的辐射谱的红移上限。而且,不同于广义相对论中的情况,这一引力红移上限是依赖于星体密度的。此外,我们也证明了,4维广义相对论中判定平衡稳定性的两个定理在高维二阶Lovelock引力下仍然适用。引力太强以至无法达到静力平衡的天体将发生坍缩。我们分别讨论了二阶与三阶Lovelock引力下的情况。我们求出了度规的严格解,并证明了这个解在天体的边界上能通过一个坐标变换与外部真空解解析地联接起来。对这个解的研究表明,高阶Lovelock修正项影响了奇点的性质,改变了时空的整体结构。例如,正的二阶Lovelock修正项耦合常数会延迟奇点的形成;在5维二阶与7维三阶Lovelock引力中,奇点的外行性质依赖于坍缩星体的质量,而内行性质在最大对称性时空中是零性的,而不是类空的。有趣的是,在5维二阶与7维三阶Lovelock引力中,引力坍缩有可能形成一个有质量的、类时的、永远可见的裸奇点,这是广义相对论中不会出现的情况。这样,就出现了一个Penrose宇宙监督假设的反例,而且是广义相对论中不存在的反例。我们对这些性质逐一作了解释,并给出了描述时空整体结构的Penrose图。近年,Virbhadra及其合作者基于对引力透镜效应的研究提出了新的宇宙监督假设。我们证明了,在5维二阶与7维三阶Lovelock引力下,新版本的宇宙监督假设同样被违反了。然而,我们对奇点引力强度的分析表明,5维二阶与7维三阶Lovelock引力中的裸奇点有可能是一个弱引力奇点,因此对宇宙监督假设或许并不构成严重的威胁,不论是旧的版本还是新的版本。此外,我们从二阶与三阶Lovelock引力的结论出发,对任意阶Lovelock引力下的引力坍缩作了两个猜测。
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