狭义与广义相对论及天体物理相关知识解析
1. 史瓦西空间与克尔度规中的轨道
在史瓦西空间里,不同物体的圆周轨道情况有所不同。对于牛顿物理学而言,任意半径的轨道都是可能的。但对于光子,唯一可能的圆周轨道半径是史瓦西半径的 1.5 倍。而对于物质测试粒子,所有半径大于 3 倍史瓦西半径的轨道才是可能的圆周轨道。
克尔度规是针对具有固有自旋或角动量的点质量的另一种已知解。克尔度规有两个参数,分别是质量 (M) 和自旋 (J)。 (J) 有一个最大允许值,经典情况下 (J/Mc = Rβ),所以约束条件 (R > J/Mc) 可以理解为旋转速度小于光速 (c)。参数 (a) 的约束条件是 (a < Rs/2)。克尔度规的表达式为:
[
ds^2_K = (cdt)^2(1 - Rs/r) + 2a(Rs/r)(cdt)(dθ) - (dr^2)r^2/Δ - [r^2 + a^2((1 - Rs/r))]dθ^2
]
其中 (a = J/(Mc)),(Δ = r(r - Rs) + a^2)。
只有赤道轨道保持平面,并且只对这些轨道进行了研究。由于克尔黑洞旋转的“参考系拖曳”效应,不存在纯粹的径向测地线,这在与 (dθ(dct)) 成比例的项中可以看出。 (cdt) 和 (dθ) 的耦合项混合了时间和角坐标,这表明会发生参考系拖曳。需要注意的是,在牛顿物理学中,当转换到旋转坐标系时也会出现这样的交叉项,所以这些项并非广义相对论所特有。当 (a = 0) 时,克尔度规简化为史瓦西度规。
与史瓦西度规一样,在 (r = Rs) 处存在一个无限红移的边界。还有一个赤道边界,即事件视界,同样在 (r = Rs) 处,但此时
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