RG IX - DIAGRAMME DE KRUSKAL-SZEKERES
Singularité (horizon) de Schwarzschild
• Avec la variable radiale
“classique”, les composantes temporelle et radiale de la métrique
de Schwarzschild comportent une singularité apparente :
;
;
;
.
Autre exemple de repérage statique, les coordonnées “isotropes”
semblent résoudre en partie ce problème, mais impliquent d'autres
difficultés.
De même les repérages comobiles de Lemaître améliorent certains
aspects, mais en présentent d'autres difficilement interprétables.
On étudie ici des coordonnées d'Eddington-Finkelstein (il y en a
d'autres variantes) et celles de Kruskal-Szekeres, en se limitant
à la partie radiale ; ces repérages sont reliés aux trajectoires
des photons.
☞ remarque : on suppose ici (interprétation “classique”) que la
variable
a une variation monotone, soit
au delà de la singularité.
Notations d'Eddington-Finkelstein
Notations de base
• Puisque
, les géodésiques radiales “nulles” (
) décrivant le mouvement des photons correspondent à :
.
En se limitant dans un premier temps au cas
, on peut écrire ceci sous la forme :
.
Le mouvement des photons vers l'extérieur est donc décrit par une
relation de la forme :
(où
est une constante d'intégration). De même pour les photons vers
l'intérieur :
.
• Ainsi, tout couple de géodésiques “nulles”
possède un seul point d'intersection, correspondant à un point
dans la région
.
• Avec ces notations, la métrique peut s'écrire :
.
Prolongement intérieur “classique”
• Si on cherche à prolonger dans la zone
(en faisant l'hypothèse que cela correspond à l'intérieur de
la singularité), on peut utiliser le prolongement usuel des
primitives :
;
.
Un inconvénient est que tout point “intérieur” est associé à un
point extérieur de mêmes coordonnées
; cela complique le repérage pour
.
📖 exercices n° I, II et III.
Prolongement intérieur “approfondi”
• Si on intègre dans
, les constantes d'intégration s'ajoutant au logarithme de part et
d'autre de la singularité ne peuvent pas être “raccordées” par
continuité à cause de la divergence. On convient alors de les
supposer égales.
Si on intègre dans
, les constantes d'intégration peuvent être raccordées en
contournant la singularité dans le plan complexe :
;
.
Le signe
du terme ajouté importe peu :
ou
, or
.
• Ceci signifie qu'en fait pour
la variable
est complexe. La partie imaginaire, constante, est
généralement ignorée (cela ne change pas
), mais elle peut avoir des conséquences dans certains
raisonnements.
Cela confirme que, de part et d'autre de la singularité, une même
valeur de
ne repère pas des événements “simultanés” (on le sait aussi
du fait que
est alors une variable du genre “espace”).
☞ remarque : sauf indication contraire, on négligera cette partie
imaginaire.
Notations de Kruskal-Szekeres
Notations de base
• Pour éliminer le facteur
dans la métrique d'Eddington-Finkelstein, les notations de Kruskal
et Szekeres utilisent des exponentielles (ici pour
) :
;
.
On obtient ainsi :
;
;
ceci simplifie l'expression de la métrique :
.
• Pour obtenir une forme diagonale de la métrique, Kruskal et
Szekeres ont alors proposé d'utiliser :
;
.
◊ remarque : ceci correspond à ce que qu'ils nomment “région
”.
• On obtient alors :
;
; ceci permet d'écrire :
.
Cette formulation a l'avantage de ne plus avoir de singularité
pour
; par contre, elle présente une singularité pour
.
◊ remarque : les particules peuvent passer
sans singularité, mais vu de extérieur, elles doivent le
faire à la vitesse de la lumière et pour
“infini”.
• La variable
est ainsi du genre espace, tandis que
est du genre temps.
On obtient inversement (avec
fonction principale de Lambert) :
;
;
.
• Dans le plan
les courbes correspondant à
sont des branches d'hyperboles ; celles pour
sont des droites passant par l'origine.
◊ remarque : la trajectoire du point horizon est
(limite des hyperboles pour
;
tirets rouges).
📖 exercices n° IV et V.
Prolongement intérieur “basique”
• Si on cherche à prolonger dans la zone
(en faisant l'hypothèse que cela correspond à l'intérieur de
la singularité), on peut proposer d'utiliser le prolongement usuel
des primitives :
;
;
;
.
Ceci donne toutefois pour
(le signe de
ne se simplifie pas) :
.
En outre, un inconvénient de ce prolongement est que (comme évoqué
pour les notations d'Eddington-Finkelstein) les valeurs de
pour
reprennent des valeurs correspondant déjà à d'autres points
pour
.
Prolongement de Kruskal-Szekeres
• Le graphique cartésien de la région
n'occupe qu'un quart du plan. Pour représenter les points
“intérieurs” avec des valeurs
différentes de l'extérieur, Kruskal et Szekeres y proposent
d'autres combinaisons donnant :
;
.
Ceci revient à permuter
et
(ou changer le signe de
), donc correspond à une région
globalement symétrique de la région
par rapport à la diagonale croissante.
Ceci redonne pour
:
. En particulier la variable
reste du genre temps et
reste du genre espace.
◊ remarque : aucun ouvrage ne semble préciser comment Kruskal ou
Szekeres en sont arrivés à choisir ces notations ; il semble que
se doit pour des considérations pratiques, d'après la
représentation graphique.
• On obtient ici encore :
;
.
Par contre dans ce cas :
.
• Dans le plan
les courbes correspondant à
sont des branches d'hyperboles ; celles pour
sont des droites passant par l'origine.
◊ remarque : la trajectoire du point singulier “central” (pour
Schwarzschild ; ici plutôt singularité “future”) est
(pour
; en
noir).
◊ remarque : contrairement à la région
, ici
croît dans le sens horaire.
◊ remarque : bien qu'obtenues par des combinaisons mathématiques
“heureuses”, les notations de Kruskal-Szekeres peuvent être
justifiées physiquement par les repérages de Novikov (étudiés dans
une partie ultérieure).
📖 exercices n° VI et VII
Prolongement intérieur “approfondi”
• Il peut être intéressant de repartir des mêmes expressions de
et
que dans la région
, mais avec les notations complexes déjà considérées pour les
notations d'Eddington-Finkelstein ; ceci tout en sachant qu'il
faut obtenir des expressions en fonction de
puisque c'est la quantité généralement utilisée.
Si on repart des notations d'Eddington-Finkelstein, on retrouve le
prolongement “basique” avec ses défauts :
;
.
Mais puisqu'on a vu que le choix de Kruskal-Szekeres pour la
région
revenait à changer de combinaison de
et
(en fait juste changer le signe pour
), on peut repartir des expressions pour la région
:
;
.
Ceci conduit effectivement (mais ici de façon justifiée) à
utiliser les combinaisons choisies par Kruskal et Szekeres. Il
apparaît toutefois des ambiguïtés sur les signes : si l'argument
de
est défini modulo
, celui de
est défini modulo
.
◊ remarque : ceci suggère en fait que le diagramme de
Kruskal-Szekeres est de même défini modulo
, ce qui est d'ailleurs clairement considéré par Szekeres (bien
qu'il ne le justifie pas précisément).
• On obtient de même :
mais
.
Complétion de Kruskal-Szekeres
• Les régions
et
ne remplissant que la moitié du plan
, Kruskal et Szekeres indiquent qu'on peut compléter par deux
régions symétriques :
- région
avec
:
;
;
- région
avec
:
;
.
Le repérage par
est-il incomplet ? Kruskal reste ambigu ; Szekeres considère que
le diagramme est dédoublé (défini modulo
).
◊ remarque : ceci fait intervenir en plus une singularité
“passée”.
📖 exercices n° VIII, IX et X
Complétion “approfondie”
• Si, d'après les notations complexes, on suppose que le diagramme
est défini modulo
, alors les régions
et
ne sont que des “duplicatas” des régions
et
, conformément à l'interprétation de Szekeres.
Repérage de Kruskal-Szekeres et transformation de Lorentz
• Bien que cela n'apparaisse pas dans son processus de
construction, le repérage de Kruskal-Szekeres peut, comme ceux de
Lemaître, être associé à une transformation de Lorentz.
• Pour
on considère (en prenant
comme unité pour simplifier) :
;
.
La variable d'espace est
(et
est une variable de temps), donc l'immobilité correspond
à
, c'est-à-dire :
.
La vitesse d'entraînement associée est ainsi :
.
• Pour
on considère (en ignorant la composante imaginaire de
) :
;
.
L'immobilité correspond à
, c'est-à-dire :
.
La vitesse d'entraînement associée est ainsi :
. Cette expression tend vers l'infini
pour
(
) et non pour
comme pour la transformation de Lemaître.
◊ remarque : avec la composante imaginaire de
:
.
◊ remarque : de même qu'avec la transformation de Lemaître,
pour
la vitesse
n'est qu'une
extrapolation puisque
devient une variable de temps et
une variable d'espace.
• Ainsi Kruskal et Szekeres considèrent un repérage dont le
mouvement dépend du temps : expansion d'autant plus rapide
que
; contraction d'autant plus rapide que
.
Étant donné qu'à cause de
les particules mettent un temps
infini pour atteindre (ou provenir de) la singularité, cela
aboutit à un résultat aussi efficace que l'approche de Lemaître :
l'horizon est atteint à la célérité
.
Une telle métrique peut toutefois sembler ne pas décrire un trou
noir statique, invariant par changement de l'origine du temps,
mais plutôt un “trou noir dynamique” : la matière imposant la
métrique, initialement en expansion à partir d'un trou blanc,
passant par une extension maximum à
, puis s'effondrant en un trou noir final.
📖 exercices n° XI, XII, XIII et XIV