YNAO OpenIR  > 高能天体物理研究组
暗物质背景下黑洞物理及其应用
其他题名The Study of Black Hole Physics in Dark Matter Background and Applications
徐兆意
学位类型博士
导师王建成
2018-07-01
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点北京
学位专业天体物理
关键词引力场方程 理想流体暗物质 KN-ADS黑洞 NJ方法 暗物质分布模型
摘要暗物质与星系中心超大质量黑洞的相互作用是天体物理最有趣的课题之一,问题主要体现在两个方面,首先是黑洞附近的暗物质如何改变黑洞时空度规,进而影响黑洞的各种物理性质;其次,中心超大质量黑洞的存在将会改变黑洞附近暗物质的空间分布,即被广泛研究过的Spike现象(Spike:暗物质在黑洞附近的分布呈现尖峰形式)。本文主要对前一个问题做了一系列的研究,其大致内容为,一是研究唯象的暗物质模型(理想流体暗物质模型)对黑洞时空度规的作用,扩展了爱因斯坦引力场方程的解,并对这些新黑洞解做了一定的分析,然后将得到的解用来解释LSB(低表面亮度)星系中旋转曲线多样性与椭圆星系中质量随半径的幂率分布规律;二是发展了一般的方法去研究给定暗物质分布的时候中心黑洞的时空度规,同时讨论了球对称情况与轴对称情况,得到了暗物质影响黑洞时空的一般表达式,对于特殊的冷暗物质模型和标量暗物质模型做了分析。接下来将详细地介绍工作的思路及其主要结果:首先,考虑理想流体物质背景下场方程的Kerr-Newman-ADS(KN-ADS)黑洞解。在理想流体的状态方程为常数的情况下,利用Newman-Jains(NJ)方法,将球对称的RN黑洞推广到Kerr-Newman(KN)黑洞,然后通过分析带有宇宙学常数的爱因斯坦引力场方程,将宇宙学常数考虑到KN黑洞度规里面去。之后详细分析了这些黑洞的性质。发现对于状态方程为$-1/3$时,该黑洞解描述理想流体暗物质背景下的黑洞解,利用这个黑洞解,我们可以在唯象模型的情况下研究黑洞与暗物质的相互作用。另一方面,我们还得到了理想流体暗物质背景下黑洞时空的另一种形式,虽然在较大尺度上行为与之前的类似,但对于黑洞的影响却不一样。其次,在考虑理想流体物质背景下KN-ADS黑洞的基础上,我们将其推广到了Rastall引力模型中,得到了Rastall引力模型中KN-ADS黑洞解,并对理想流体表现为暗能量与暗物质的情况作了详细的分析,尤其是得到了满足弱能量条件与强能量条件时候参数$\alpha$的取值范围。同时,我们分析指出,当考虑暗物质的时候,通过调节Rastall参数,能够解释LSB星系中旋转曲线的多样性。这些观测将进一步限制Rastall引力的物理本质。再次,对理想流体暗物质背景下的球对称黑洞或轴对称黑洞解的研究,我们尝试利用这些黑洞解理解椭圆星系的质量幂率分布的理论起源,得到了星系状态方程与幂率指数的一般表达式。同时利用119个椭圆星系的引力透镜数据分析,得到了这些椭圆星系的状态方程,发现这些状态方程的值在$-1/3$附近,这表明对于椭圆星系的物质成分,主要由暗物质主导,这与之前的观测结果一致,反过来,这也暗示了我们对椭圆星系幂率规律理论解释的正确性。另一方面,利用理想流体暗物质模型,我们对漩涡星系旋转曲线多样性进行了很好的数据拟合。最后,利用数值模拟或经验近似得到的暗物质分布模型,我们构造了纯暗物质背景下的时空度规,将这些暗物质分布决定的能动张量代入爱因斯坦引力场方程之中,利用史瓦西黑洞为边界条件,我们得到了这些暗物质晕下的球对称黑洞解。进一步,利用NJ方法,将这些球对称黑洞推广到了轴对称黑洞。对于冷暗物质模型与标量暗物质模型我们得到了具体黑洞解的形式。同时对实际的星系暗物质参数,我们进行了数值计算,发现暗物质对黑洞视界与黑洞能层的改变及其微小,大概为$10^{-7}$个数量级。但是由于黑洞的引力,暗物质的能量密度(约等于质量密度)分布也会出现CUSP现象。
其他摘要The interaction between dark matter and supermassive black holes in the galaxy center is one of the most interesting topics in astrophysics. This problem is mainly reflected in two aspects, the first is how the dark matter halo changes the black hole space-time, in turn affecting various physical properties of black holes. Second, the existence of a central supermassive black hole will change the spatial distribution of dark matter near the black hole, also known as the Spike phenomenon. This article has mainly done a series of studies on the previous issue. The research content is divided into two parts. The first is how the phenomenological dark matter model (perfect fluid dark matter) changes the black hole spacetime, and expands the black hole solution of Einstein field equation. We also use PFDM to explain the rotation curves diversity of LSB galaxies and power-law total mass-density profile for the inner regions of ETGs. The second is develop general method to study the black hole solution of Einstein field equation when dark matter halo exists. For Cold dark matter model and Scalar field dark matter model, we obtain the specific black hole solution. Next we will introduce the working ideas and main results.Firstly, we obtain the KN-ADS space-time of the Einstein-Maxwell field equation of the perfect fluid around a black hole by Newman-Janis algorithm and complex computations. We analyzed the nature of these black holes and found that for the equation of state is $-1/3$, the perfect fluid is dark matter. Using this black hole solution, we can study the interaction between black holes and perfect fluid dark matter. We also got another form of black hole space-time in perfect fluid dark matter background.Secondly, we study the KN-ADS black hole space-time surrounded by the perfect fluid matter in the Rastall gravity by the Newman-Janis method and Mathematica package. Next we discuss the effects of dark energy ($-2/3$) and dark matter ($-1/3$) on the properties of KN-ADS black holes. On the other hand, for the perfect fluid dark matter ($-1/3$), we could explain the rotation curve diversity in Low Surface Brightness (LSB) galaxies when the perfect fluid dark matter halo and baryon disk are both taken into account.Thirdly, we tried to explain the origin of the power distribution of the elliptical galaxy mass. We obtain the general expressions of galactic state equations and exponents. By analyzing the data of 119 elliptical galaxy gravitational lenses, we found that the average of the state equation is near $-1/3$. This shows that elliptical galaxies are dominated by dark matter. On the other hand, using the PFDM, we performed a good data fit for the rotation curve diversity of spiral galaxies.Finally, using the dark matter distribution model obtained by numerical simulation or empirical approximation, we constructed a space-time metric in the context of pure dark matter. Substituting the energy-momentum tensors corresponding to the dark matter halo into Einstein's gravitational field equation, we obtain the Schwarzschild black hole space-time in dark matter halo. By NJ method, we generalize Schwarzschild black holes to rotational black holes in dark matter halo. We have studied the properties of dark matter that affect black holes.
学科领域天文学 ; 天体物理学 ; 高能天体物理学
学科门类理学 ; 理学::天文学
页数99
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/25416
专题高能天体物理研究组
作者单位中国科学院云南天文台
第一作者单位中国科学院云南天文台
推荐引用方式
GB/T 7714
徐兆意. 暗物质背景下黑洞物理及其应用[D]. 北京. 中国科学院大学,2018.
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