Теорема Бухдаля - Википедия - Buchdahls theorem

Эволюция центрального давления против компактности (радиуса над массой) для «звезды» с однородной плотностью. Это центральное давление расходится на границе Бухдаля.

В общая теория относительности, Теорема Бухдаля, названный в честь Ганс Адольф Бухдаль,^[1] уточняет представление о том, что для обычной гравитирующей материи существует максимальная устойчивая плотность. Это дает неравенство между массой и радиусом, которое должно выполняться для статических сферически-симметричных конфигураций материи при определенных условиях. В частности, для радиуса площадки ${ displaystyle R}$, масса ${ displaystyle M}$ должен удовлетворить

куда ${ displaystyle G}$ это гравитационная постоянная и ${ displaystyle c}$ это скорость света. Это неравенство часто называют Связь Бухдала. Граница исторически также называлась пределом Шварцшильда, как это было впервые отмечено Карл Шварцшильд существовать в частном случае жидкости постоянной плотности.^[2] Однако эту терминологию не следует путать с Радиус Шварцшильда что заметно меньше радиуса на границе Бухдаля.

Теорема

Учитывая статическое сферически-симметричное решение задачи Уравнения Эйнштейна (без космологическая постоянная ) с веществом, ограниченным пространственным радиусом ${ displaystyle R}$ ведет себя как идеальная жидкость с плотность что не увеличивается наружу. Дополнительно предполагает, что плотность и давление не могут быть отрицательными. Масса этого раствора должна удовлетворять

Для доказательства теоремы Бухдал использует Уравнение Толмана-Оппенгеймера-Волкова (ТОВ).

Значимость

Теорема Бухдаля полезна при поиске альтернатив черные дыры. Такие попытки часто вдохновляются информационный парадокс; способ объяснить (часть) темная материя; или критиковать, что наблюдения черных дыр основаны на исключении известных астрофизических альтернатив (таких как нейтронные звезды ), а не прямые доказательства. Однако для обеспечения жизнеспособной альтернативы иногда необходимо, чтобы объект был чрезвычайно компактным и, в частности, нарушал неравенство Бухдаля. Отсюда следует, что одно из предположений теоремы Бухдаля должно быть неверным. Схема классификации может быть составлена ​​на основе того, какие допущения нарушаются.^[3]

Особые случаи

Несжимаемая жидкость

Частный случай несжимаемой жидкости или постоянной плотности, ${ Displaystyle rho (r) = rho _ {*}}$ за ${ Displaystyle г$, является исторически важным примером, поскольку в 1916 году Шварцшильд впервые отметил, что масса не может превышать значение ${ displaystyle { frac {4Rc ^ {2}} {9G}}}$ для заданного радиуса ${ displaystyle R}$ или центральное давление станет бесконечным. Это также особенно послушный пример. Внутри звезды можно найти.^[4]

и используя TOV-уравнение

такое, что центральное давление, ${ displaystyle p (0)}$, расходится как ${ Displaystyle R до 9GM / 4c ^ {2}}$.

Расширения

Расширения теоремы Бухдаля обычно либо ослабляют предположения по существу, либо по симметрии проблемы. Например, вводя анистропную материю ^[5][6] или вращение.^[7] Кроме того, можно также рассмотреть аналоги теоремы Бухдала в других теориях гравитации. ^[8][9]

Рекомендации