Kerr--Newman黑洞背景中的荷电标量场：超辐射不稳定和标量云

摘要

在广义相对论中，旋转黑洞的视界面和无限红移面之间的区域是黑洞的能层，满足超辐射条件的玻色子场可以通过能层从黑洞中提取能量、电量和角动量。在过去几十年中，黑洞的超辐射现象在广义相对论和天体物理中扮演着十分重要的角色。许多种机制（如有质量场、磁场和Anti-de Sitter边界等）都可以把玻色子场束缚在黑洞附近，使得从黑洞中提取能量的过程反复进行，引发背景时空的超辐射不稳定。黑洞的超辐射不稳定在现代物理中的许多分支中有广泛的应用，如寻找暗物质粒子和标准模型之外的新物理等。黑洞的超辐射不稳定还可以产生新的带毛黑洞解，对黑洞无毛猜想提出挑战。本文研究Kerr-Newman黑洞在有质量荷电标量扰动下的超辐射不稳定和标量云。通过数值计算和解析分析，首次证明了Kerr-Newman黑洞的超辐射不稳定只发生在标量场的参数空间中的一个封闭的区域内，且标量云的存在线是这个区域的其中一条边界线。当标量场的参数取值在这个区域之外的时候，Kerr-Newman黑洞是稳定的。此外，还利用蒙特卡洛方法计算了超辐射不稳定模的最大增长率，发现，由于标量场与Kerr-Newman黑洞的电磁相互作用，荷电标量场的超辐射不稳定模的最大增长率可以比中性标量场的最大增长率高出约15.7％;我们还发现Kerr-Newman黑洞在荷电标量场扰动下的不稳定模的最大增长率为ωIM≈1.788×10-7,这一结果比之前Kerr黑洞的不稳定模的最大增长率高出约4％.

目录

摘要

第一章引言

第二章Kerr-Newman黑洞背景中的标量场

2．1 Kerr-Newman黑洞

2．2 有质量荷电标量场的运动方程

2．3本征值问题

2．4 散射问题

第三章标量场的时间演化

3．1时间演化方程

3．2 数值方法

3．3 数值结果

3．4 讨论

第四章准束缚态与超辐射不稳定

4．1束缚态存在的条件

4．2 超辐射不稳定的条件

4．3 数值方法

4．4 准束缚态频率谱

4．5 讨论

第五章黑洞周围的标量云

5．1 数值方法

5．2标量云的存在线

5．3标量云的分布

5．4 讨论

第六章总结与展望

附录

参考文献

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