ملخص
Display
01) Coordinate time (GM/c^3) 11) BL r coordinate (GM/c^2) 21) Radius of gyration (GM/c^2) 31) Observed framedragging rate (c^3/G/M)
02) Affine parameter (GM/c^3) 12) BL φ coordinate (radians) 22) Cartesian radius (GM/c^2) 32) Local framedragging velocity (c)
03) 1st derivative (dt/dτ) 13) BL θ coordinate (radians) 23) BH Irreducible mass (M) 33) Cartesian framedragging velocity (c)
04) Grav. time dilation (dt/dτ) 14) dr/dτ (c) 24) Kinetic energy (hf) 34) Proper velocity (c, dl/dτ)
05) Local energy (dt/dτ, mc^2) 15) dφ/dτ (c^3/G/M) 25) Potential energy (hf) 35) Observed velocity (c, d{x,y,z}/dt)
06) Cartesian radius (GM/c^2) 16) dθ/dτ (c^3/G/M) 26) Total energy (hf) 36) Escape velocity (c)
07) x Axis (GM/c^2) 17) d^2r/dτ^2 (c^6/G/M) 27) Carter constant (GMhf/c^3) 37) Local r velocity (c)
08) y Axis (GM/c^2) 18) d^2φ/dτ^2 (c^6/G^2/M^2) 28) φ angular momentum (GMhf/c^3) 38) Local θ velocity (c)
09) z Axis (GM/c^2) 19) d^2θ/dτ^2 (c^6/G^2/M^2) 29) θ angular momentum (GMhf/c^3) 39) Local φ velocity (c)
10) travelled distance (GM/c^2) 20) Spin parameter (GM^2/c) 30) Radial momentum (hf/c) 40) Total local velocity (c)
Equations of motion
All formulas come in natural units:
G
=
M
=
c
=
1
{\displaystyle {\rm {G=M=c=1}}}
Coordinate time by proper time (dt/dτ):
t
˙
=
2
E
r
(
a
2
+
r
2
)
−
2
a
L
z
r
Δ
Σ
+
E
=
ς
1
−
v
2
{\displaystyle {\rm {{\dot {t}}={\frac {2\ E\ r\ \left(a^{2}+r^{2}\right)-2\ a\ L_{z}\ r}{\Delta \ \Sigma }}+E={\frac {\varsigma }{\sqrt {1-v^{2}}}}}}}
Radial coordinate time derivative (dr/dτ):
r
˙
=
Δ
p
r
Σ
{\displaystyle {\rm {{\dot {r}}={\frac {\Delta \ p_{r}}{\Sigma }}}}}
Time derivative of the covariant momentum's r-component (pr/dτ):
p
˙
r
=
(
r
−
1
)
(
μ
(
a
2
+
r
2
)
−
k
)
+
2
E
2
r
(
a
2
+
r
2
)
−
2
a
E
L
z
+
Δ
μ
r
Δ
Σ
−
2
p
r
2
(
r
−
1
)
Σ
{\displaystyle {\rm {{\dot {p}}_{r}={\frac {(r-1)\left(\mu \ \left(a^{2}+r^{2}\right)-k\right)+2\ E^{2}\ r\left(a^{2}+r^{2}\right)-2\ a\ E\ L_{z}+\Delta \ \mu \ r}{\Delta \ \Sigma }}-{\frac {2\ p_{r}^{2}\ (r-1)}{\Sigma }}}}}
Relation to the local velocity:
p
r
=
v
r
1
+
μ
v
2
Σ
Δ
{\displaystyle {\rm {p_{r}={\frac {v_{r}}{\sqrt {1+\mu \ v^{2}}}}{\sqrt {\frac {\Sigma }{\Delta }}}}}}
Latitudinal time derivative (dθ/dτ):
θ
˙
=
p
θ
Σ
{\displaystyle {\rm {{\dot {\theta }}={\frac {p_{\theta }}{\Sigma }}}}}
Time derivative of the covariant momentum's θ-component (pθ/dτ):
p
˙
θ
=
sin
θ
cos
θ
(
L
z
2
/
sin
4
θ
−
a
2
(
E
2
+
μ
)
)
Σ
{\displaystyle {\rm {{\dot {p}}_{\theta }={\frac {\sin \theta \ \cos \theta \left(L_{z}^{2}/\sin ^{4}\theta -a^{2}\left(E^{2}+\mu \right)\right)}{\Sigma }}}}}
Relation to the local velocity:
p
θ
=
v
θ
Σ
1
+
μ
v
2
{\displaystyle {\rm {p_{\theta }={\frac {v_{\theta }\ {\sqrt {\Sigma }}}{\sqrt {1+\mu \ v^{2}}}}}}}
Longitudinal time derivative (dФ/dτ):
ϕ
˙
=
2
a
E
r
+
L
z
csc
2
θ
(
Σ
−
2
r
)
Δ
Σ
{\displaystyle {\rm {{\dot {\phi }}={\frac {2\ a\ E\ r+L_{z}\ \csc ^{2}\theta \ (\Sigma -2r)}{\Delta \ \Sigma }}}}}
Time derivative of the covariant momentum's Ф-component (pФ/dτ):
p
˙
ϕ
=
0
{\displaystyle {\rm {{\dot {p}}_{\phi }=0}}}
Carter-constant (I is the orbital inclination angel):
Q
=
p
θ
2
+
cos
2
θ
(
a
2
(
μ
2
−
E
2
)
+
L
z
2
sin
2
θ
)
=
a
2
(
μ
2
−
E
2
)
sin
2
I
+
L
z
2
tan
2
I
{\displaystyle {\rm {Q=p_{\theta }^{2}+\cos ^{2}\theta \left(a^{2}(\mu ^{2}-E^{2})+{\frac {L_{z}^{2}}{\sin ^{2}\theta }}\right)=a^{2}\ (\mu ^{2}-E^{2})\ \sin ^{2}I+L_{z}^{2}\ \tan ^{2}I}}}
Carter k (constant):
k
=
a
2
(
E
2
+
μ
)
+
L
z
2
+
Q
{\displaystyle {\rm {k=a^{2}\left(E^{2}+\mu \right)+L_{z}^{2}+Q}}}
Total energy (constant):
E
=
(
Σ
−
2
r
)
(
θ
˙
2
Δ
Σ
+
r
˙
2
Σ
−
Δ
μ
)
Δ
Σ
+
ϕ
˙
2
Δ
sin
2
θ
=
Δ
Σ
(
1
+
μ
v
2
)
χ
+
Ω
L
z
{\displaystyle {\rm {E={\sqrt {{\frac {(\Sigma -2\ r)\left({\dot {\theta }}^{2}\ \Delta \ \Sigma +{\dot {r}}^{2}\ \Sigma -\Delta \ \mu \right)}{\Delta \ \Sigma }}+{\dot {\phi }}^{2}\ \Delta \ \sin ^{2}\theta }}={\sqrt {\frac {\Delta \ \Sigma }{(1+\mu \ v^{2})\ \chi }}}+\Omega \ L_{z}}}}
Angular momentum on the Ф-axis (constant):
L
z
=
sin
2
θ
(
ϕ
˙
Δ
Σ
−
2
a
E
r
)
Σ
−
2
r
=
v
ϕ
R
¯
1
+
μ
v
2
{\displaystyle {\rm {L_{z}={\frac {\sin ^{2}\theta \ ({\dot {\phi }}\ \Delta \ \Sigma -2\ a\ E\ r)}{\Sigma -2\ r}}={\frac {v_{\phi }\ {\bar {R}}}{\sqrt {1+\mu \ v^{2}}}}}}}
with the radius of gyration
R
¯
=
χ
Σ
sin
θ
{\displaystyle {\rm {{\bar {R}}={\sqrt {\frac {\chi }{\Sigma }}}\ \sin \theta }}}
Frame Dragging angular velocity (dФ/dt):
ω
=
2
a
r
χ
{\displaystyle {\rm {\omega ={\frac {2\ a\ r}{\chi }}}}}
Gravitational time dilation (dt/dτ):
ς
=
χ
Δ
Σ
{\displaystyle {\rm {\varsigma ={\sqrt {\frac {\chi }{\Delta \ \Sigma }}}}}}
Local velocity on the r-axis:
v
r
1
+
μ
v
2
=
r
˙
Σ
Δ
{\displaystyle {\rm {{\frac {v_{r}}{\sqrt {1+\mu \ v^{2}}}}={\dot {r}}\ {\sqrt {\frac {\Sigma }{\Delta }}}}}}
Local velocity on the θ-axis:
v
θ
Σ
1
+
μ
v
2
=
θ
˙
Σ
{\displaystyle {\rm {{\frac {v_{\theta }\ {\sqrt {\Sigma }}}{\sqrt {1+\mu \ v^{2}}}}={\dot {\theta }}\ \Sigma }}}
Local velocity on the Ф-axis:
v
ϕ
1
+
μ
v
2
=
L
z
R
¯
ϕ
{\displaystyle {\frac {\rm {v_{\phi }}}{\sqrt {1+\mu \ {\rm {v^{2}}}}}}={\frac {\rm {L_{z}}}{\rm {{\bar {R}}_{\phi }}}}}
with the cartesian coordinates:
x
=
r
2
+
a
2
sin
θ
cos
ϕ
,
y
=
r
2
+
a
2
sin
θ
sin
ϕ
,
z
=
r
cos
θ
{\displaystyle {\rm {x={\sqrt {r^{2}+a^{2}}}\sin \theta \ \cos \phi \ ,\ y={\sqrt {r^{2}+a^{2}}}\sin \theta \ \sin \phi \ ,\ z=r\cos \theta \quad }}}
The observed velocity β is given by:
β
=
(
d
x
/
d
t
)
2
+
(
d
y
/
d
t
)
2
+
(
d
z
/
d
t
)
2
{\displaystyle {\rm {\beta ={\sqrt {(dx/dt)^{2}+(dy/dt)^{2}+(dz/dt)^{2}}}}}}
The local escape velocity is given by the relation:
ς
=
1
/
1
−
v
e
s
c
2
→
v
e
s
c
=
ς
2
−
1
/
ς
{\displaystyle {\rm {\varsigma =1/{\sqrt {1-v_{\rm {esc}}^{2}}}\ \to \ v_{\rm {esc}}={\sqrt {\varsigma ^{2}-1}}/\varsigma }}}
Shorthand Terms:
Σ
=
a
2
cos
2
θ
+
r
2
,
Δ
=
a
2
+
r
2
−
2
r
,
χ
=
(
a
2
+
r
2
)
2
−
a
2
sin
2
θ
Δ
{\displaystyle {\rm {\Sigma =a^{2}\cos ^{2}\theta +r^{2}\ ,\ \ \Delta =a^{2}+r^{2}-2r\ ,\ \ \chi =\left(a^{2}+r^{2}\right)^{2}-a^{2}\ \sin ^{2}\theta \ \Delta }}}
Sources: [1] [2] [3] [4] [5] [6]
References
↑ Pu, Yun, Younsi & Yoon: General-relativistic radiative transfer in Kerr spacetime , p. 2+
↑ Janna Levin & Gabe Perez-Giz: A Periodic Table for Black Hole Orbits , p. 30+
↑ Scott A. Hughes: Nearly horizon skimming orbits of Kerr black holes , p. 5+
↑ Janna Levin & Gabe Perez-Giz: The Phase Space Portrait , p. 2+
↑ Misner, Thorne & Wheeler (MTW): The Bible نسخة مؤرشفة at the Wayback Machine , p. 897+
↑ Simon Tyran: Kerr Orbits / Gravitationslinsen
ترخيص
أنا، صاحب حقوق التأليف والنشر لهذا العمل، أنشر هذا العمل تحت الرخصة التالية:
يحقُّ لك:
مشاركة العمل – نسخ العمل وتوزيعه وبثُّه
إعادة إنتاج العمل – تعديل العمل
حسب الشروط التالية:
نسب العمل إلى مُؤَلِّفه – يلزم نسب العمل إلى مُؤَلِّفه بشكل مناسب وتوفير رابط للرخصة وتحديد ما إذا أجريت تغييرات. بالإمكان القيام بذلك بأية طريقة معقولة، ولكن ليس بأية طريقة تشير إلى أن المرخِّص يوافقك على الاستعمال.
الإلزام بترخيص المُشتقات بالمثل – إذا أعدت إنتاج المواد أو غيرت فيها، فيلزم أن تنشر مساهماتك المُشتقَّة عن الأصل تحت ترخيص الأصل نفسه أو تحت ترخيص مُتوافِقٍ معه. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0 CC BY-SA 4.0 Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 true true
File usage
187
189
8
8
758
500
inner ergosphere and ring singularity
العربية أضف شرحاً من سطر واحد لما يُمثِّله هذا الملف
الإنجليزية Photon orbit around an extremal Kerr black hole
الألمانية Photonenorbit um ein maximal rotierendes schwarzes Loch