Dieter R. Brill- Multi-Black-Holes in 3D and 4D anti-de Sitter Spacetimes

8/3/2019 Dieter R. Brill- Multi-Black-Holes in 3D and 4D anti-de Sitter Spacetimes

http://slidepdf.com/reader/full/dieter-r-brill-multi-black-holes-in-3d-and-4d-anti-de-sitter-spacetimes 1/4

P P 9 7 { 1 3

g r - q c / 9 6 0 8 0 1 0

M u l t i - B l a c k - H o l e s i n 3 D a n d 4 D a n t i - d e S i t t e r

S p a c e t i m e s

1

B y D i e t e r R . B r i l l

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , U n i v e r s i t y o f M a r y l a n d

C o l l e g e P a r k , M D 2 0 7 4 2 , U S A

2

A b s t r a c t . T h e ( s i n g l e ) b l a c k h o l e s o l u t i o n s o f B a ~ n a d o s , T e i t e l b o i m a n d Z a n e l l i ( B T Z ) i n 2 + 1

d i m e n s i o n a l a n t i - d e S i t t e r s p a c e a r e g e n e r a l i z e d t o a n a r b i t r a r y n u m b e r n o f s u c h b l a c k h o l e s .

T h e r e s u l t i n g m u l t i - b l a c k - h o l e ( M B H ) s p a c e t i m e i s l o c a l l y i s o m e t r i c t o a n t i - d e S i t t e r s p a c e , a n d

g l o b a l l y i t i s o b t a i n e d f r o m t h e l a t t e r a s a q u o t i e n t s p a c e b y m e a n s o f s u i t a b l e i d e n t i c a t i o n s .

T h e M B H s p a c e t i m e h a s n a s y m p t o t i c a l l y a n t i - d e S i t t e r e x t e r i o r r e g i o n s , e a c h o f w h i c h h a s t h e

g e o m e t r y o f a s i n g l e B T Z b l a c k h o l e . T h e s e e x t e r i o r r e g i o n s a r e s e p a r a t e d b y n h o r i z o n s f r o m a

c o m m o n i n t e r i o r r e g i o n . T h i s i n t e r i o r r e g i o n c a n b e d e s c r i b e d a s a \ c l o s e d " u n i v e r s e c o n t a i n i n g n

b l a c k h o l e s . S i m i l a r c o n g u r a t i o n s i n 3 + 1 d i m e n s i o n s , w i t h h o r i z o n s o f t o r o i d a l a n d h i g h e r g e n u s

t o p o l o g i e s , a r e a l s o p r e s e n t e d .

1 I n t r o d u c t i o n

I n 3 D E i n s t e i n ' s e q u a t i o n s d e t e r m i n e t h e f u l l R i e m a n n t e n s o r . I n v a c u u m ( w i t h o n l y a c o s -

m o l o g i c a l c o n s t a n t ) t h e s p a c e t i m e h a s c o n s t a n t c u r v a t u r e , t h e r e a r e n o l o c a l g r a v i t a t i o n a l

d e g r e e s o f f r e e d o m . I f o n e t h i n k s o f b l a c k h o l e s a s c o n c e n t r a t i o n s o f c u r v a t u r e i t i s s u r p r i s i n g

t h a t i n 2 + 1 d i m e n s i o n s t h e r e a r e \ b l a c k h o l e " s o l u t i o n s 1 ] . T h e i r b l a c k h o l e p r o p e r t i e s

d e r i v e s o l e l y f r o m t h e g l o b a l s t r u c t u r e o f t h e s p a c e t i m e .

B e c a u s e t h e r e a r e n o l o c a l d e g r e e s o f f r e e d o m i t i s r e a s o n a b l e t h a t t h e r e s h o u l d a l s o b e

m u l t i - b l a c k - h o l e s o l u t i o n s . I n t h i s c o n t r i b u t i o n I s k e t c h t h e c o n s t r u c t i o n o f s u c h s o l u t i o n s ,

1

t a l k g i v e n a t J R 9 6 ( A s c o n a , S w i t z e r l a n d ) , t o b e p u b l i s h e d i n H e l v . P h y s . A c t a

2

e - m a i l : b r i l l @ u m d h e p . u m d . e d u

1



a n d m e n t i o n t h e c o r r e s p o n d i n g s p a c e t i m e s i n 3 + 1 d i m e n s i o n s .

2 I n i t i a l v a l u e s

T h e b l a c k h o l e c o n s t r u c t i o n i s p o s s i b l e o n l y i f t h e c o n s t a n t c u r v a t u r e i s n e g a t i v e , = ? 1 = ̀

2

T h e u n i v e r s a l c o v e r i n g s p a c e o f s u c h s p a c e s i s ( u n w r a p p e d ) 3 D a n t i - d e S i t t e r ( a d S ) s p a c e .

I t s w r a p p e d v e r s i o n c a n b e e m b e d d e d i n 4 D a t s p a c e w i t h s i g n a t u r e ? ? + + ,

d s

2

= ? d U

2

? d T

2

+ d x

2

+ d y

2

( 1 )

a s a h y p e r b o l i c s u r f a c e ,

? U

2

? T

2

+ X

2

+ Y

2

= ? ̀

2

( 2 )

W h e n t h e i n d u c e d m e t r i c o n t h i s s u r f a c e i s e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e ( n o n - s p i n n i n g ) B T Z

1 ] c o o r d i n a t e s r ; ; t ,

X

T

=

s

? ̀

2

+

r

2

M

c o s h

s i n h

p

M

̀

t

!

;

U

Y

=

r

p

M

c o s h

s i n h

p

M

( 3 )

i t t a k e s t h e f o r m

d s

2

= ( ? M +

r

2

̀

2

) d t

2

+

d r

2

? M +

r

2

̀

2

+ r

2

d

2

; ( 4 )

w h i c h i s s i m i l a r t o t h a t o f t h e S c h w a r z s c h i l d b l a c k h o l e m e t r i c . I t a l s o h a s m a n y s i m i l a r

g l o b a l p r o p e r t i e s ( a s e x p r e s s e d , f o r e x a m p l e , i n a P e n r o s e d i a g r a m ) .

T h e s u r f a c e t = c o n s t i s t o t a l l y g e o d e s i c , a n d t h e r e f o r e i t s i n t r i n s i c 2 D g e o m e t r y i s a l s o

o f c o n s t a n t , n e g a t i v e c u r v a t u r e . T h e u n i v e r s a l c o v e r i n g s p a c e o f s u c h c o n s t a n t c u r v a t u r e

s p a c e s i s 2 D h y p e r b o l i c s p a c e , H

2

, w h i c h c a n b e r e p r e s e n t e d a s t h e P o i n c a r e d i s k ( o r a s t h e

P o i n c a r e u p p e r h a l f s p a c e . ) T h e d i s k c a n b e o b t a i n e d b y s t e r e o g r a p h i c p r o j e c t i o n 2 ] o f t h e

T = 0 s u b s p a c e o f t h e s u r f a c e o f E q ( 2 ) o n t h e p l a n e U = ? ̀ f r o m a p r o j e c t i o n c e n t e r a t

X = Y = 0 , U = ̀

T h e l i n e s = c o n s t a r e g e o d e s i c s , a n d a r e t h e r e f o r e r e p r e s e n t e d i n t h e P o i n c a r e m o d e l

a s c i r c u l a r a r c s p e r p e n d i c u l a r t o t h e b o u n d a r y c u r v e ( c i r c u m f e r e n c e i n t h e c a s e o f t h e d i s k

m o d e l ) . W e c u t t h e t = 0 i n i t i a l s t a t e o f t h e B T Z b l a c k h o l e a l o n g = 0 a n d = ,

o b t a i n i n g t w o c o n g r u e n t s t r i p s i n t h e P o i n c a r e m o d e l , o n e o f w h i c h i s s h o w n i n F i g u r e 1 a .

T o r e a s s e m b l e t h e B T Z i n i t i a l s t a t e w e t a k e t w o c o p i e s o f t h i s g u r e a n d j o i n t h e m t o g e t h e r

a l o n g t h e b o u n d a r i e s = 0 a n d = . W e c a l l t h i s p r o c e d u r e o f j o i n i n g t w o c o p i e s o f a

r e g i o n a l o n g g e o d e s i c b o u n d a r i e s \ d o u b l i n g " o f t h e g u r e . ( T h a t t h e t w o c o p i e s t t o g e t h e r

s m o o t h l y f o l l o w s f r o m t h e i d e n t i t y o f t h e i n t r i n s i c g e o m e t r y o f t h e b o u n d a r i e s , a n d v a n i s h i n g

o f t h e i r e x t r i n s i c c u r v a t u r e , s i n c e t h e y a r e g e o d e s i c s . ) T h e r e g i o n b e t w e e n a n y p a i r o f n o n -

i n t e r s e c t i n g g e o d e s i c s o n t h e P o i n c a r e d i s k , w h e n d o u b l e d , y i e l d s a B T Z b l a c k h o l e o f n i t e

m a s s p a r a m e t e r M . I f t h e g e o d e s i c s m e e t o n t h e \ l i m i t c i r c l e " ( a t i n n i t y ) , M v a n i s h e s ;

o t h e r w i s e a n y s u c h r e g i o n c a n b e b r o u g h t i n t h e s y m m e t r i c a l p o s i t i o n o f F i g . 1 a b y m e a n s

o f a n i s o m e t r y o f t h e P o i n c a r e d i s k . I n t h a t p o s i t i o n i t i s o b v i o u s t h a t t h e h o r i z o n o c c u r s a t

2



t h e m i n i m a l g e o d e s i c c o n n e c t i n g t h e t w o b o u n d a r y g e o d e s i c s , a n d M i s d e t e r m i n e d b y t h e

l e n g t h o f t h a t g e o d e s i c c o m p a r e d t o ̀ . ( A l t e r n a t i v e l y , M m e a s u r e s t h e a n g l e t h a t \ i n n i t y "

s u b t e n d s a t t h e h o r i z o n . )

B y t h e s a m e m e t h o d o n e c a n o b t a i n m u l t i - b l a c k - h o l e ( M B H ) i n i t i a l s t a t e s , w i t h s e v e r a l

a s y m p t o t i c a l l y a d S r e g i o n s 3 ] . F i g u r e 1 b s h o w s a s t r i p w h i c h , w h e n d o u b l e d , g i v e s a n i n i t i a l

s t a t e w i t h t h r e e a s y m p t o t i c r e g i o n s , w h i c h w e c a l l a 3 - b l a c k - h o l e s t a t e . ( F i g u r e 1 c s h o w s

t h e s a m e g e o m e t r y i n t h e u p p e r h a l f p l a n e m o d e l . ) B y i d e n t i f y i n g t w o o f t h e h o r i z o n s , f o r

e x a m p l e h

2

a n d h

3

, w e g e t a \ w o r m h o l e - t y p e " g e o m e t r y w i t h o n l y o n e a s y m p t o t i c r e g i o n .

B y i d e n t i f y i n g h o r i z o n s b y p a i r s i n a n o r i g i n a l l y 4 - b l a c k - h o l e g e o m e t r y w e o b t a i n a c o m p a c t ,

n e g a t i v e c u r v a t u r e g e o m e t r y .

= 0

= = 2

=

r = ̀

p

M

C

C

C W

r = 1

( a ) ( b ) ( c )

h

1

h

2

h

3

h

1

F i g . 1 . C o n s t r u c t i o n o f M B H i n i t i a l v a l u e s , s h o w n i n t h e P o i n c a r e m o d e l o f H

2

. I n t h i s m o d e l

g e o d e s i c s a r e a r c s o f c i r c l e s p e r p e n d i c u l a r t o t h e b o u n d a r y ( d o t t e d ) , w h i c h r e p r e s e n t s i n n i t y .

( a ) I n t h e d i s k m o d e l t h e \ s i n g l e " B T Z b l a c k h o l e ' s i n i t i a l s t a t e i s t h e r e g i o n i n w h i c h s o m e B T Z

c o o r d i n a t e l i n e s a r e s h o w n ( t h i c k e r l i n e s ) . T h i s r e g i o n i s t o b e d o u b l e d , a s d e s c r i b e d i n t h e t e x t .

T h e h o r i z o n i s t h e v e r t i c a l g e o d e s i c s e g m e n t a t r = ̀

p

M

( b ) I n i t i a l s t a t e o f a \ 3 - b l a c k - h o l e " c o n g u r a t i o n , w i t h t h r e e a s y m p t o t i c a l l y a d S r e g i o n s r e a c h i n g

o u t t o i n n i t y . E a c h o f t h e s e e x t e r i o r r e g i o n s i s s e p a r a t e d f r o m t h e c o m m o n i n t e r i o r r e g i o n b y a

h o r i z o n h ( t h i n n e r a r c s ) , t h e s h o r t e s t g e o d e s i c s e g m e n t b e t w e e n a p a i r o f n o n - i n t e r s e c t i n g g e o d e s i c

b o u n d a r i e s ( t h i c k e r a r c s ) . T h e l e n g t h ̀

p

M

i

o f t h e h o r i z o n h

i

m e a s u r e s t h e t h e m a s s M

i

a s s o c i a t e d

w i t h t h e i

t h

e x t e r i o r . ( I n t h i s g u r e t h e l e n g t h s o f t h e t h r e e h o r i z o n s , a s d e t e r m i n e d b y t h e P o i n c a r e

m e t r i c , a n d h e n c e t h e t h r e e m a s s e s , a r e a c t u a l l y e q u a l ) .

( c ) T h e s a m e g e o m e t r y a s i n ( b ) i n t h e u p p e r h a l f - p l a n e m o d e l . O n l y o n e o f t h e h o r i z o n s i s s h o w n .

3 T i m e D e v e l o p m e n t

T h e l e f t h a l f o f F i g . 1 b i s i d e n t i c a l t o t h a t o f F i g . 1 a , h e n c e t h e t i m e d e v e l o p m e n t i n i t s

d o m a i n o f d e p e n d e n c e w i l l a l s o b e t h e s a m e . B u t t h a t d o m a i n i s t h e r e g i o n o u t s i d e t h e

s p a c e t i m e h o r i z o n c o r r e s p o n d i n g t o h

1

; t h u s t o a n o b s e r v e r i n a n e x t e r i o r r e g i o n o u t s i d e

o f o n e o f t h e h o r i z o n s h

i

t h e f u t u r e s p a c e t i m e g e o m e t r y i s i n d i s t i n g u i s h a b l e f r o m t h a t o f a

s i n g l e B T Z b l a c k h o l e . B e c a u s e t h e p a s t o f s u c h o b s e r v e r s i n c l u d e s m o r e t h a n t h e e x t e r i o r ' s

p a s t d o m a i n o f d e p e n d e n c e , t h e y c a n b e a w a r e o f t h e d i e r e n c e f r o m a s i n g l e B T Z b l a c k

h o l e , f o r e x a m p l e v i a l i g h t f r o m t h e \ w h i t e h o l e " s i n g u l a r i t y .

3



T h e r e g i o n b e t w e e n t h e h o r i z o n s o f a M B H i n i t i a l s t a t e h a s n i t e a r e a ; e x c e p t f o r t h e

o p e n i n g s a t t h e h o r i z o n s i t i s a c l o s e d u n i v e r s e m o d e l . B e c a u s e i t i s l o c a l l y h o m o g e n e o u s ,

i t s t i m e d e v e l o p m e n t i n t i m e - o r t h o n o r m a l c o o r d i n a t e s w i l l a m o u n t s i m p l y t o a n o v e r a l l s c a l e

c h a n g e , d e s c r i b e d f o r e x a m p l e b y t h e R a y c h a u d h u r i e q u a t i o n 2 ] . T h e s c a l e f a c t o r d e c r e a s e s

t o z e r o i n t h e n i t e p r o p e r t i m e ` = 2 , a t w h i c h t i m e a n o n - H a u s d o r s i n g u l a r i t y , s i m i l a r t o

t h a t o f t h e B T Z b l a c k h o l e 4 ] , i s r e a c h e d .

4 A n a l o g o u s C o n g u r a t i o n s i n 3 + 1 D i m e n s i o n s

T h e B T Z i d e a c a n b e g e n e r a l i z e d t o 4 D s p a c e t i m e s i n v a r i o u s w a y s 5 ] . T h e f o l l o w i n g

m e t r i c s , f o u n d i n c o l l a b o r a t i o n w i t h D r . J . L o u k o a n d o b t a i n e d b y a n a l y t i c c o n t i n u a t i o n a n d

r e - s c a l i n g o f t h e S c h w a r z s c h i l d - d e S i t t e r m e t r i c 6 ] , s a t i s f y t h e v a c u u m E i n s t e i n e q u a t i o n s

w i t h c o s m o l o g i c a l c o n s t a n t :

d s

2

= ? F d t

2

+

d r

2

F

+ r

2

d

2

+ c o s h

2

p

M d

2

d

2

+

2

d

2

!

w i t h F =

? M ?

2 m

r

? r

2

( M 6= 0 )

?

2 m

r

? r

2

( M = 0 )

W h e n = ? 1 = ̀

2

i s n e g a t i v e t h i s h a s t h e a p p r o p r i a t e s i g n a t u r e a t l a r g e r a n d b e c o m e s t h e

a d S m e t r i c t h e r e , a n d w h e n m = 0 a n d = 0 i t b e c o m e s t h e B T Z m e t r i c ( 4 ) . H o w e v e r ,

t o c o m p l e t e t h e a n a l o g y , t h e s u r f a c e s o f c o n s t a n t r a n d t s h o u l d b e c o m p a c t i e d . I n t h e

c a s e M = 0 t h e s e 2 D s u r f a c e s a r e a t , s o a t o r u s c o m p a c t i c a t i o n i s p o s s i b l e . I f M 6= 0

t h e s e s u r f a c e s h a v e c o n s t a n t n e g a t i v e c u r v a t u r e , a n d c a n a l s o b e c o m p a c t i e d , f o r e x a m p l e a s

d e s c r i b e d a t t h e e n d o f S e c t i o n 2 . W h e n t h e S c h w a r z s c h i l d - t y p e m a s s p a r a m e t e r m v a n i s h e s ,

j o i n i n g t w o o r m o r e o f t h e s e i n t h e i r a n t i - d e S i t t e r r e g i o n s y i e l d s M B H g e o m e t r i e s . S i m p l e

j o i n i n g i s n o t p o s s i b l e w h e n m 6= 0 b e c a u s e t h e c u r v a t u r e i s t h e n n o l o n g e r c o n s t a n t . I n s t e a d ,

t h e s i n g l e b l a c k h o l e w i t h m 6= 0 h a s a c u r v a t u r e s i n g u l a r i t y a t r = 0 , l i k e t h e S c h w a r z s c h i l d

g e o m e t r y .

R e f e r e n c e s

1 ] M . B a ~ n a d o s , C . T e i t e l b o i m , a n d J . Z a n e l l i , P h y s . R e v . L e t t . 6 9 , 1 8 4 9 ( 1 9 9 2 )

2 ] f o r m o r e d e t a i l s s e e D . B r i l l G e o m e t r y o f B l a c k H o l e s a n d M u l t i - B l a c k - H o l e s i n 2 + 1

d i m e n s i o n s , M a r y l a n d P P - 9 7 - 2 , g r - q c / 9 6 0 7 0 2 6

3 ] D . B r i l l , P h y s . R e v . D 5 3 R 4 1 3 3 ( 1 9 9 6 ) ; A . S t e i f , P h y s . R e v . D 5 3 5 5 2 7 ( 1 9 9 6 )

4 ] M . B a ~ n a d o s , C . T e i t e l b o i m , a n d J . Z a n e l l i , P h y s . R e v . D 1 8 1 5 0 6 ( 1 9 9 3 )

5 ] S .

A m i n n e b o r g , I . B e n g t s s o n , S . H o l s t , a n d P . P e l d a n , M a k i n g a n t i - d e S i t t e r b l a c k h o l e s ,

S t o c k h o l m U S I T P 9 6 - 4 , g r - q c / 9 6 0 4 0 0 5 ; D . B r i l l a n d J . L o u k o , t o b e p u b l i s h e d

6 ] B . C a r t e r i n C . a n d B . S . d e W i t t , B l a c k H o l e s ( G o r d o n a n d B r e a c h 1 9 7 3 ) ; D . B r i l l a n d

S . H a y w a r d , C l a s s . Q u a n t u m G r a v . 1 1 , 3 5 9 ( 1 9 9 4 )

4

Documents

Dieter R. Brill- Multi-Black-Holes in 3D and 4D anti-de Sitter Spacetimes