Métrique de Vaidya

En relativité générale, la métrique de Vaidya est une solution exacte et explicite de l'équation d'Einstein en l'absence de constante cosmologique [1]. Elle décrit un objet à symétrie sphérique qui émet (resp. absorbe) de la poussière, de sorte que sa masse décroît (resp. s'accroît) au cours du temps[2]. Elle représente la plus simple généralisation dynamique (c.-à-d. non statique) de la métrique de Schwarzschild[2]. Son éponyme est le physicien et mathématicien indien Prahalad Chunnilal Vaidya (en) (-)[2] que l'a présentée en [3].

L'espace-temps de Vaidya a quatre dimensions[4]. Il n'est pas vide mais est empli de poussière isotrope[5].

Dans le cas d'une émission, la métrique est dite sortante[6] et s'écrit[7],[8],[9] :

et, dans le cas d'une absorption, elle est dite entrante[10] et s'écrit[7],[11],[12] :

,

où :

  • est la vitesse de la lumière dans le vide[13] ;
  • est la constante gravitationnelle[13] ;
  • est la métrique d'une sphère unité[13],[14] :  ;
  • est la colatitude[15] :  ;
  • est la longitude[15] :  ;
  • est le rayon aréolaire[14],[16] : , avec[17],[15]  ;
  • (resp. ) est une fonction arbitraire de la coordonnée (resp. )[14] ;
  • et sont deux coordonnées de genre lumière[18] avec[17] et [15]  ;
  • et sont deux coordonnées de genre temps, à savoir :
    • est le temps retardé[19],[20] ;
    • est le temps avancé[19],[10].

Les deux expressions de la métrique peuvent être réunies comme suit[21] :

,

avec[22]

Avec , la métrique de Vaidya se réduit à celle de Schwarzschild[23] :

,

où :

  • est le rayon de Schwarzschild ;
  • est défini par la relation[24] : .

Poussière isotrope

La poussière isotrope est un fluide[6],[10] :

  • sans pression[6],[10] :  ;
  • dont la densité d'énergie est : , avec[6],[10]
  • dont la quadrivitesse est , avec[6],[10]

Utilisations

La métrique de Vaidya connaît un certain nombre d'applications astrophysiques et théoriques. Par exemple, elle est utilisée pour décrire l'émission de rayonnements par des objets astrophysiques[22],[25]. Elle est aussi prise en compte dans les études sur l'effondrement gravitationnel[22],[25],[26] à symétrique sphérique[27], la formation et l'évolution des horizons des trous noirs[26] ainsi que la formation de singularités nues[22],[27] ou encore les modes quasi-normaux des trous noirs[27]. Elle est utilisée comme modèle-jouet[26] de l'évaporation des trous noirs[22],[25] par rayonnement de Hawking[27]. Elle est encore utilisée en théorie des cordes[26] et en holographie[26].

Histoire

La métrique de Vaidya[28] est ainsi désignée à la suite de Richard W. Lindquist, Robert A. Schwartz et Charles W. Misner (-)[29],[30],[31]. Son éponyme est le physicien et mathématicien indien Prahalad Chunnilal Vaidya (-)[32]. Il l'a présentée pour la première fois en [33],[34] comme solution de l'équation d'Einstein sans constante cosmologique [34] pour l'extérieur d'une étoile rayonnant un champ pouvant s'interpréter, à la limite newtonienne, comme la luminosité de l'étoile[33].

Pour Éric Gourgoulhon, la métrique de Vaidya sortante a été en fait dérivée pour la première fois par Henri Mineur (-) en [35],[36] comme solution de l'équation d'Einstein pour le « champ de gravitation » extérieur d'un « corps central » à symétrie sphérique dont la masse varie en raison du rayonnement d'un « flux énergétique lumineuse »[32].

En [37],[38],[39] et [37],[40],[41], Vaidya présente la métrique pour l'extérieur d'une étoile à symétrie sphérique et rayonnante[42].

Notes et références

  1. ↑ Duggal et Sahin 2010, chap. 3, sec. 3.3, ex. : 3, p. 119.
  2. 1 2 3 Emam 2021, chap. 7, sec. 7.6, p. 282.
  3. ↑ Newman 1986, sec. 3, p. 155.
  4. ↑ Booth 2013, sec. 5, § 5.1, p. 109.
  5. ↑ Booth 2013, sec. 5, § 5.1, no 5.1.1, p. 109.
  6. 1 2 3 4 5 Poisson 2004, chap. 4, sec. 4.3, § 4.3.5, p. 153.
  7. 1 2 Emam 2021, chap. 7, sec. 7.6, p. 282 (7.96).
  8. ↑ Griffiths et Podolský 2009, chap. 9, sec. 9.5, introduction, p. 156 (9.32).
  9. ↑ Poisson 2004, chap. 4, sec. 4.3, § 4.3.5, p. 152 (4.94).
  10. 1 2 3 4 5 6 Poisson 2004, chap. 5, sec. 5.1, § 5.1.8, p. 173.
  11. ↑ Griffiths et Podolský 2009, chap. 9, sec. 9.5, § 9.5.2, p. 162 (9.33).
  12. ↑ Poisson 2004, chap. 5, sec. 5.1, § 5.1.8, p. 173 (5.16) et (5.17).
  13. 1 2 3 Piesnack et Kassner 2022, sec. III, p. 3 col. 2.
  14. 1 2 3 Hellaby 1994, introduction.
  15. 1 2 3 4 Gourgoulhon 2025, chap. 15, sec. 15.2, § 15.2.1, p. 581.
  16. ↑ Gourgoulhon 2025, chap. 15, sec. 15.2, § 15.2.1, p. 582.
  17. 1 2 Coudray et Nicolas 2021, sec. 2, p. 5.
  18. ↑ Piesnack et Kassner 2022, sec. III, p. 5, col. 1.
  19. 1 2 Piesnack et Kassner 2022, sec. VI, p. 9, col. 2.
  20. ↑ Poisson 2004, chap. 4, sec. 4.3, § 4.3.5, p. 152.
  21. ↑ Berezin, Dokuchaev et Eroshenko 2017, sec. 1, p. 1, col. 1 (1).
  22. 1 2 3 4 5 Berezin, Dokuchaev et Eroshenko 2017, sec. 1, p. 1, col. 1.
  23. ↑ Griffiths et Podolský 2009, chap. 8, sec. 8.3, p. 116 (8.9).
  24. ↑ Griffiths et Podolský 2009, chap. 8, sec. 8.3, p. 116.
  25. 1 2 3 Berezin, Dokuchaev et Eroshenko 2020, sec. 1, p. 1.
  26. 1 2 3 4 5 Faraoni, Giusti et Fahim 2021, sec. 1, p. 1, col. 1.
  27. 1 2 3 4 Chirenti et Saa 2012, sec. 1, p. 1.
  28. ↑ Choquet-Bruhat 1969, sec. III, § 13, p. 31.
  29. ↑ Gourgoulhon 2025, chap. 15, sec. 15.2, § 15.2.1, p. 585, n. historique.
  30. ↑ Gourgoulhon 2025, bibliographie, p. 809 [342].
  31. ↑ Lindquist, Schwartz et Misner 1965.
  32. 1 2 Gourgoulhon 2025, chap. 15, sec. 15.2, § 15.2.1, p. 584, n. historique.
  33. 1 2 Griffiths et Podolský 2009, chap. 9, sec. 9.5, introduction, p. 156.
  34. 1 2 Stephani et al. 2003, chap. 15, sec. 15.4, § 15.4.1, table 15.1, p. 231.
  35. ↑ Gourgoulhon 2025, bibliographie, p. 810 [361].
  36. ↑ Mineur 1933, IVe partie, no 24, p. 47 (21).
  37. 1 2 Gourgoulhon 2025, bibliographie, p. 819 [479].
  38. ↑ Vaidya 1943.
  39. ↑ Vaidya 1999a.
  40. ↑ Vaidya 1951.
  41. ↑ Vaidya 1999b.
  42. ↑ Gourgoulhon 2025, chap. 15, sec. 15.2, § 15.2.1, p. 584-585, n. historique.

Bibliographie

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Manuels d'enseignement supérieur

Notes de cours ou de conférences

  • [Gourgoulhon 2025] (en) Éric Gourgoulhon, Geometry and physics of black holes : lecture notes, Meudon et Paris, LUX (UMR 8262), , 840 p., 21 × 29,7 cm (présentation en ligne, lire en ligne Accès libre [PDF]).

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