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 = J/M (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] :

[49] ;
[49] ;
 ;
.

Les composantes de la métrique sont reliées aux fonctions[48]. Dans le cas de la métrique de Kerr[50] :

[27] ;
[27],[51] ;
[51] ;
[51].
[27].

Histoire

Les éponymes des coordonnées de Boyer-Lindquist[52] sont Robert H. Boyer (-) et Richard W. Lindquist[1],[3],[53].

Notes et références

Notes

  1. ↑ En anglais : Boyer–Lindquist coordinates, abrégé en BL coordinates[1].
  2. ↑ En anglais : Boyer−Lindquist foliation[25],[26].

Références

  1. 1 2 Meier 2012, 2e part., chap. 7, sec. 7.5, § 7.5.1, p. 235.
  2. 1 2 3 4 5 6 Maggiore 2018, chap. 12, sec. 12.5, § 12.5.1, p. 169.
  3. 1 2 3 Misner, Thorne et Wheeler 1973, chap. 33, § 33.2, p. 877.
  4. ↑ Misner, Thorne et Wheeler 1973, chap. 33, § 33.2, encadré 33.2, II, E, 2, p. 880, col. 2.
  5. ↑ Rahaman 2021, chap. 10, sec. 10.7, p. 280.
  6. ↑ Romano et Furnari 2019, chap. 15, sec. 15.6, p. 423.
  7. ↑ Misner, Thorne et Wheeler 1973, chap. 33, § 33.4, p. 892.
  8. ↑ Thorne et Blandford 2021, chap. 26, sec. 26.5, § 26.5.1, p. 1278.
  9. 1 2 Lambourne 2010, chap. 6, sec. 6.3, § 6.3.1, p. 193.
  10. ↑ Soffel et Han 2019, chap. 6, sec. 6.3, § 6.3.1, p. 213.
  11. ↑ Gourgoulhon 2023, chap. 10, sec. 10.2, § 10.2.1, p. 312.
  12. ↑ Aelst 2020, sec. 1.
  13. ↑ Bakun et al. 2025, sec. 1, p. 2.
  14. ↑ Chantry et al. 2021, sec. 2, § 2.1.
  15. 1 2 Delaporte, Eichhorn et Held 2022, sec. II.
  16. ↑ Frolov et Soto 2023, sec. 2, § 2.1, p. 3.
  17. ↑ Long et al. 2020, sec. 2, p. 3, col. 2.
  18. ↑ Nakashi et Kimura 2020, sec. I.
  19. ↑ Delaporte, Eichhorn et Held 2022, sec. 4 (7).
  20. ↑ Xie et al. 2021, introduction, p. 2, col. 1 (2).
  21. 1 2 Maggiore 2018, chap. 12, sec. 12.5, § 12.5.1, p. 171, n. 55.
  22. ↑ Lasota 2016, no 1.6.1.1, p. 42 (1.148).
  23. ↑ Hobson, Efstathiou et Lasenby 2009, chap. 13, § 13.6, p. 316.
  24. ↑ Romano et Furnari 2019, 4e part., chap. 15, § 15.6, p. 423.
  25. ↑ Gajic 2017, sec. 1, § 1.3, no 1.3.3, p. 4015.
  26. ↑ Parfrey et Tchekhovskoy 2017, sec. 3, p. 2, col. 2.
  27. 1 2 3 4 5 Menon et Dermer 2011, annexe A, A.1, p. 1103, col. 2.
  28. 1 2 Komissarov 2004, sec. 2, p. 429, col. 1.
  29. 1 2 3 Maggiore 2018, § 15.5.1, p. 169.
  30. ↑ Lawrie 2013, § 4.5.3 (4.70), p. 125.
  31. ↑ Maggiore 2018, § 15.5.1 (12.286), p. 169.
  32. 1 2 Belgiorno, Cacciatori et Faccio 2018, § 1.2.2 (1.34), p. 10.
  33. 1 2 Lawrie 2013, § 4.5.3 (4.69), p. 125.
  34. ↑ Maggiore 2018, chap. 12, sec. 12.5, § 12.5.1 (12.287), p. 169.
  35. ↑ Deza et Deza 2014, IVe partie, chap. 26, sec. 26.2, s.v. Kerr metric, p. 578.
  36. ↑ Jetzer 2022, chap. 4, sec. 4.1, introduction, p. 113 (4.1).
  37. ↑ Deza et Deza 2014, IVe partie, chap. 26, sec. 26.2, s.v. Kerr-Newman metric, p. 579.
  38. ↑ Jetzer 2022, chap. 4, sec. 4.1, § 4.1.2, p. 115 (4.13).
  39. 1 2 Heinicke et Hehl 2017, sec. 3, § 3.4, introduction, p. 152.
  40. ↑ Maggiore 2018, chap. 12, sec. 12.5, § 12.5.1 (12.288), p. 169.
  41. 1 2 Heinicke et Hehl 2017, sec. 3, § 3.4, no 3.4.1, p. 152.
  42. 1 2 Chandrasekhar 1978, § 2, p. 406 (3).
  43. 1 2 Dermer et Menon 2009, chap. 15, sec. 15.3, introduction, p. 385.
  44. 1 2 Thorne et al. 1986, sec. A, § 1, p. 70 (3.5).
  45. ↑ Jetzer 2022, chap. 4, sec. 4.1, § 4.1.3, p. 115 (4.14).
  46. 1 2 Thorne et Blandford 2021, chap. 26, sec. 26.5, § 26.5.1, p. 1278 (26.70b).
  47. 1 2 3 Contopoulos 2014, sec. 9.3, p. 232.
  48. 1 2 Thorne et al. 1986, sec. A, § 1, p. 70.
  49. 1 2 Menon et Dermer 2011, annexe A, A.1, p. 1104, col. 1.
  50. ↑ Thorne et al. 1986, sec. A, § 1, p. 70 (3.6c).
  51. 1 2 3 Dermer et Menon 2009, chap. 15, sec. 15.3, p. 385 (15.23).
  52. ↑ Gialis et Désert 2015, Formulaire abrégé de relativité générale, § 2.7, p. 336.
  53. ↑ Snygg 1997, chap. 9, § 9.1, p. 246.

Voir aussi

Bibliographie

Dictionnaires et encyclopédies

Liens externes

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