TEORIJA GRAVITACIJE. Geodetke v Schwarzschildovi metriki. Gregor Kladnik. astronomsko-geofizikalna smer

Podobni dokumenti
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Matematika 2 Pisni izpit 9. junij 2005 Ime in priimek: Vpisna št: Zaporedna številka izpita: Navodila Pazljivo preberite bese

ANALITIČNA GEOMETRIJA V RAVNINI

resitve.dvi

Poslovilno predavanje

Univerza v Novi Gorici Fakulteta za aplikativno naravoslovje Fizika (I. stopnja) Mehanika 2014/2015 VAJE Gravitacija - ohranitveni zakoni

Albert Einstein in teorija relativnosti

Matematika 2

resitve.dvi

Microsoft Word - Astronomija-Projekt19fin

Klasična teorija polja L. D. Landau in E. M. Lifšic Inštitut za fizikalne naloge, Akademija za znanost ZSSR, Moskva Prevod: Rok Žitko, IJS 29. decembe

Osnove matematicne analize 2018/19

Osnove statistike v fizični geografiji 2

NEKAJ VPRAŠANJ IZ MATEMATIKE 2 1. Katero točko evklidskega prostora R n imenujemo notranjo (zunanjo, robno) točko množice M R n? 2. Za poljubno množic

(Microsoft PowerPoint - vorsic ET 9.2 OES matri\350ne metode 2011.ppt [Compatibility Mode])

EKVITABILNE PARTICIJE IN TOEPLITZOVE MATRIKE Aleksandar Jurišić Politehnika Nova Gorica in IMFM Vipavska 13, p.p. 301, Nova Gorica Slovenija Štefko Mi

Matematika Diferencialne enačbe prvega reda (1) Reši diferencialne enačbe z ločljivimi spremenljivkami: (a) y = 2xy, (b) y tg x = y, (c) y = 2x(1 + y

Popravki nalog: Numerična analiza - podiplomski študij FGG : popravljena naloga : popravljena naloga 14 domače naloge - 2. skupina

Naloge 1. Dva električna grelnika z ohmskima upornostma 60 Ω in 30 Ω vežemo vzporedno in priključimo na idealni enosmerni tokovni vir s tokom 10 A. Tr

RAČUNALNIŠKA ORODJA V MATEMATIKI

Poskusi s kondenzatorji

11. Navadne diferencialne enačbe Začetni problem prvega reda Iščemo funkcijo y(x), ki zadošča diferencialni enačbi y = f(x, y) in začetnemu pogo

FGG13

Slide 1

Uvodno predavanje

Brownova kovariancna razdalja

DOMACA NALOGA - LABORATORIJSKE VAJE NALOGA 1 Dani sta kompleksni stevili z in z Kompleksno stevilo je definirano kot : z = a + b, a p

C:/Users/Matevž Èrepnjak/Dropbox/FKKT/testi in izpiti/ /IZPITI/FKKT-februar-14.dvi

Vrste

ELEKTRIČNI NIHAJNI KROG TEORIJA Električni nihajni krog je električno vezje, ki služi za generacijo visokofrekvenče izmenične napetosti. V osnovi je "

Matematika II (UNI) Izpit (23. avgust 2011) RE ITVE Naloga 1 (20 to k) Vektorja a = (0, 1, 1) in b = (1, 0, 1) oklepata trikotnik v prostoru. Izra una

6.1 Uvod 6 Igra Chomp Marko Repše, Chomp je nepristranska igra dveh igralcev s popolno informacijo na dvo (ali vec) dimenzionalnem prostoru

C:/Users/Matevž Èrepnjak/Dropbox/FKKT/TESTI-IZPITI-REZULTATI/ /Izpiti/FKKT-avgust-17.dvi

1 Naloge iz Matematične fizike II /14 1. Enakomerno segreto kocko vržemo v hladnejšo vodo stalne temperature. Kako se spreminja s časom temperat

UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Katja Ciglar Analiza občutljivosti v Excel-u Seminarska naloga pri predmetu Optimizacija v fina

Osnovni pojmi(17)

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO Petra Žigert Pleteršek MATEMATIKA III Maribor, september 2017

Ime in priimek: Vpisna št: FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Oddelek za matematiko Statistika Pisni izpit 6. julij 2018 Navodila Pazljivo preberite be

2

Kotne in krožne funkcije Kotne funkcije v pravokotnem trikotniku β a c γ b α sin = a c cos = b c tan = a b cot = b a Sinus kota je razmerje kotu naspr

Microsoft PowerPoint _12_15-11_predavanje(1_00)-IR-pdf

7. VAJA A. ENAČBA ZBIRALNE LEČE

Univerza v Mariboru Fakulteta za naravoslovje in matematiko Oddelek za matematiko in računalništvo Enopredmetna matematika IZPIT IZ VERJETNOSTI IN STA

FGG14

PowerPoint Presentation

VPRAŠANJA ZA USTNI IZPIT PRI PREDMETU OSNOVE ELEKTROTEHNIKE II PREDAVATELJ PROF. DR. DEJAN KRIŽAJ Vprašanja so v osnovi sestavljena iz naslovov poglav

Rešene naloge iz Linearne Algebre

3. Preizkušanje domnev

7. tekmovanje v znanju astronomije 8. razred OŠ Državno tekmovanje, 9. januar 2016 REŠITVE NALOG IN TOČKOVNIK SKLOP A V sklopu A je pravilen odgovor o

Poglavje 3 Reševanje nelinearnih enačb Na iskanje rešitve enačbe oblike f(x) = 0 (3.1) zelo pogosto naletimo pri reševanju tehničnih problemov. Pri te

resitve.dvi

Ime in priimek: Vpisna št: FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Oddelek za matematiko Verjetnost Pisni izpit 5. februar 2018 Navodila Pazljivo preberite

resitve.dvi

Microsoft Word - CelotniPraktikum_2011_verZaTisk.doc

NAVADNA (BIVARIATNA) LINEARNA REGRESIJA O regresijski analizi govorimo, kadar želimo opisati povezanost dveh numeričnih spremenljivk. Opravka imamo to

Ime in priimek

Diapozitiv 1

C:/Users/Matevž Èrepnjak/Dropbox/FKKT/TESTI-IZPITI-REZULTATI/ /Izpiti/FKKT-junij-17.dvi

STROJNIŠKI VESTNIK LETNIK 22 LJUBLJANA, JULIJ AVGUST 1976 ŠTEVILKA 7 8 UDK Prispevek k reševanju drugega robnega problema pri steni z luknj

Matematika II (UN) 2. kolokvij (7. junij 2013) RE ITVE Naloga 1 (25 to k) ƒasovna funkcija f je denirana za t [0, 2] in podana s spodnjim grafom. f t

C:/Users/Matevz/Dropbox/FKKT/TESTI-IZPITI-REZULTATI/ /Izpiti/FKKT-januar-februar-15.dvi

Napotki za izbiro gibljivih verig Stegne 25, 1000 Ljubljana, tel: , fax:

LABORATORIJSKE VAJE IZ FIZIKE

Microsoft Word - A-3-Dezelak-SLO.doc

Urejevalna razdalja Avtorji: Nino Cajnkar, Gregor Kikelj Mentorica: Anja Petković 1 Motivacija Tajnica v posadki MARS - a je pridna delavka, ampak se

GeomInterp.dvi

M

DN080038_plonk plus fizika SS.indd

Vaje: Matrike 1. Ugani rezultat, nato pa dokaži z indukcijo: (a) (b) [ ] n 1 1 ; n N 0 1 n ; n N Pokaži, da je množica x 0 y 0 x

MEHANIKA I - sinopsis predavanj za študente matematike v letu 2017/ OSNOVE NEWTONOVE MEHANIKE Literatura Aganovič, Veselič, Uvod v anali

STAVKI _5_

Učinkovita izvedba algoritma Goldberg-Tarjan Teja Peklaj 26. februar Definicije Definicija 1 Naj bo (G, u, s, t) omrežje, f : E(G) R, za katero v

Vektorji - naloge za test Naloga 1 Ali so točke A(1, 2, 3), B(0, 3, 7), C(3, 5, 11) b) A(0, 3, 5), B(1, 2, 2), C(3, 0, 4) kolinearne? Naloga 2 Ali toč

Microsoft Word - SI_vaja5.doc

PRIPRAVA NA 1. Š. N.: KVADRATNA FUNKCIJA IN KVADRATNA ENAČBA 1. Izračunaj presečišča parabole y=5 x x 8 s koordinatnima osema. R: 2 0, 8, 4,0,,0

Prevodnik_v_polju_14_

Univerza na Primorskem FAMNIT, MFI Vrednotenje zavarovalnih produktov Seminarska naloga Naloge so sestavni del preverjanja znanja pri predmetu Vrednot

Univerza v Ljubljani FAKULTETA ZA RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Tržaška c. 25, 1000 Ljubljana Realizacija n-bitnega polnega seštevalnika z uporabo kvan

Kazalo 1 DVOMESTNE RELACIJE Operacije z dvomestnimi relacijami Predstavitev relacij

Funkcije in grafi

Equation Chapter 1 Section 24Trifazni sistemi

GRUPE07junij.dvi

Microsoft Word - Avditorne.docx

30 Vpihovalne šobe Vpihovalna šoba VŠ-4 Uporaba Vpihovalne šobe VŠ-4 se uporabljajo za oskrbovanje prostorov s hladnim ali toplim zrakom povsod tam, k

Microsoft PowerPoint - p_TK_inzeniring_1_dan_v5_shortTS.ppt [Compatibility Mode]

Ime in priimek: Vpisna št: FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Oddelek za matematiko Statistika Pisni izpit 31. avgust 2018 Navodila Pazljivo preberite

Numeri na analiza - podiplomski ²tudij FGG doma e naloge - 1. skupina V prvem delu morate re²iti toliko nalog, da bo njihova skupna vsota vsaj 10 to k

N

predstavitev fakultete za matematiko 2017 A

'Kombinatoricna optimizacija / Lokalna optimizacija'

Microsoft Word - 2. Merski sistemi-b.doc

Turingov stroj in programiranje Barbara Strniša Opis in definicija Definirajmo nekaj oznak: Σ abeceda... končna neprazna množica simbolo

FIZIKA IN ARHITEKTURA SKOZI NAŠA UŠESA

Priprava prispevka za Elektrotehniški vestnik

Matematika II (UN) 1. kolokvij (13. april 2012) RE ITVE Naloga 1 (25 to k) Dana je linearna preslikava s predpisom τ( x) = A x A 1 x, kjer je A

Geometrija v nacionalnih preverjanjih znanja

LaTeX slides

Slovenska predloga za KE

Transkripcija:

TEORIJA GRAVITACIJE Geodetke v Schwarzschildovi metriki Gregor Kladnik astronomsko-geofizikalna smer 1 Uvod Glavna enačba splošne teorije relativnosti je Einsteinova enačba polja G = c = 1) [1, ] G µν = 8πT µν, 1.1) kjer je G µν Einsteinov tenzor ter T µν napetostni tenzor. Pri tem je Einsteinov tenzor tesno povezan z Riccijevim tenzorjem R µν in njegovo sledjo R = R µ µ G µν = R µν 1 g µνr, 1.) pri čemer je g µν metrični tenzor. Riccijev tenzor ni nič drugega kot skrčen Riemannov tenzor R α βγδ : R αβ = R µ αµβ. Riemmanov tenzor je povezan s Christoffelovimi simboli Γ α βγ, le-ti pa so direktno povezani z metriko g µν. Rešitev enačbe 1.1) za sferno simetričen problem stacionarne mase je prvi podal Schwarzschild le nekaj mesecev po Einsteinovi izpeljavi enačbe 1.1). Schwarzschildova rešitev V Schwarzschildovih koordinatah t, r, θ, φ) je metrika poljubnega statičnega sferno-simetričnega prostor-časa oblike [1, ] ds = fr)c dt + hr)dr + r dθ + sin θdφ ). 1.3) Leta 193 je Birkhoff pokazal, da je privzetek statičnosti odveč vsi sferno simetrični prostor-časi z R αβ = ustreza pogoju za rešitev Einsteinove enačbe v vakuumu, kjer je napetostno tenzor T µν identično enak ) so statični. Analogija k temu t.i. Birkhoffovemu teoremu je v elektromagnetizmu dejstvo, da je Coulombova rešitev edina sferno simetrična statična rešitev Maxwellovih enačb v vakuumu. Interpretiramo jo lahko kot pogoj, da tako pri gravitaciji 1

kot v elektromagnetizmu ne obstaja monopolno sferno simetrično) sevanje. [] Končno zapišimo Schwarzschildovo rešitev [1, ] ds = 1 M r ) dt + 1 M r ) 1 dr + r dθ + sin θdφ ), 1.4) kjer je M Schwarzschildov radij r S = M = GM c M). radij črne luknje z maso Geodetke v Schwarzschildovi metriki Orbite delcev ustrezajo geodetkam v prostor-času. Komponente baze tangente u µ na krivuljo parametrizirano z τ je u µ = dxµ dτ = ẋµ..1) Za časovne geodetke izberemo za parameter τ lasten čas, za ničelne geodetke pa naj bo τ nek afini parameter. Za te primere imamo torej θ = π/) κ = g µν u µ u ν = 1 M r )ṫ + 1 M r ) 1ṙ + r φ,.) kjer je parameter κ enak 1 za časovne geodetke in za ničelne. [] S pomočjo lagranžijana L = 1g µνẋ µ ẋ ν in Euler-Lagrangeovih enačb ) d L = L dτ ẋ σ x,.3) σ lahko izračunamo enačbe gibanja prostega delca. Njihove rešitve ustrezajo orbitam, oziroma geodetkam ustrezne metrike. Zaradi simetričnosti lahko za Schwarzschildovo metriko privzamemo θ = π/ gibanje v ekvatorialni ravnini) in zapišemo lagranžijan L = 1 1 M r )ṫ + 1 M r ) 1ṙ + r φ)..4) Hitro prepoznamo dve konstanti gibanja [ ] d r φ = p φ = r φ = l,.5) dτ [ d 1 r )ṫ] s = p = 1 r s )ṫ = ẽ..6) dτ r r

Enačbo gibanja najlažje dobimo s pomočjo enačbe.), vstavimo zgornja izraza za konstanti gibanja in zapišemo κ = 1 M r ) 1ẽ + 1 M r ) 1ṙ + l r.7) Pomnožimo izraz z 1, brez izgube splošnosti postavimo r S = 1 enote dolžine so sedaj v enotah Schwarzschildovega radija r S ), [] preuredimo člene in dobimo 1 ṙ + 1 ) κr ) 1 + L r r 3 = ẽ κ = E..8) V drugem členu na levi strani enačbe prepoznamo efektivni enodimenzionalni potencial V eff = 1 ) κr ) 1 + L r r 3..9) Potem ko določimo gibanje v radialni smeri s pomočjo efektivnega potenciala, izračunamo odvisnost kota in Schwarzschildovega časa t enostavno s pomočjo konstant gibanja in njihovih enačb.5) in.6). Glavna značilnost dobljene enačbe za efektivni potencial je dodaten relativističen tretji člen, saj v prvih dveh κ/r in L /r ) prepoznamo člena Kepplerjevega efektivnega potenciala v Newtonovi gravitaciji. Dodaten relativističen člen prevlada nad centrifugalnim členom za majhne vrednosti r..1 Rešitve za ničelne geodetke κ = ) Vstavimo κ = v enačbo.9) in dobimo efektivni potencial v enotah celotne energije ẽ / = E) za ničelne geodetke V ) eff 1 = b 1 ),.1) r r slika 1). Oblika potenciala je neodvisna od parametra b in kot vidimo na sliki 1) ima le en ekstrem in sicer maksimum pri r = 3/. V splošni teoriji relativnosti torej obstajajo nestabilne maksimum!) krožne orbite fotonov pri radiju r = 3/. Najnižja energija potrebna za prestop potencialnega zidu je torej enaka 1 = V r = 3/) = 4b, oziroma.11) 7 b = L ẽ = 7 4..1) 3

V ravnem prostoru-času je kvocient L/ẽ za foton enak parametru trka, t.j. najmanjši razdalji med orbito žarka, fotona) in izhodiščem maso, objektom). Schwarzschildov prostor-čas je asimptotično raven g µν η µν ), r zato lahko za foton, ki izhaja iz asimptotično ravnega območja r 1), definiramo navidezni parameter trka [] b = L ẽ,.13) čeprav ne predstavlja več najmanjše razdalje med objektom in orbito. Vsak foton z navideznim parametrom trka manjšim od mejnega b c = 7/4 se bo ujel v telo z maso M. Iz poteka efektivnega potenciala lahko razberemo,.7.6 V poljubne enote.5.4.3..1 5 1 15 r r S Slika 1: Odvisnost efektivnega potenciala od radialne razdalje r za ničelno geodetko. da bodo orbite fotonov z večjim navideznim parametrom trka od mejnega ukrivljene imele bodo eno obračalno točko. S pomočjo enačbe gibanja.8) in konstant gibanja lahko izračunamo diferencialno enačbo, ki opisuje odvisnost rφ) ) 1/ dr dφ = r b r + r 3..14) Z vpeljavo nove spremenljivke podobno kot pri reševanju Kepplerjevega problema v klasični mehaniki) u = 1/r se enačba poenostavi v du ) 1/. dφ = b u + u 3.15) 4

.1.1 Potek izračuna trajektorij Glede na dani navidezni parameter trka b in začetni pogoj r, φ ) moramo med seboj ločiti tri različne tipe trajektorij: Za b > b C in začetno oddaljenost r veliko večjo od najbolj oddaljene obračalne točke imamo pojav ukrivljanja svetlobnih žarkov, Za b < b C se svetlobni žarki ujamejo v črno luknjo, Za b > b C in začetno oddaljenost r manjšo od najbližje obračalne točke a hkrati seveda večjo od radija črne luknje, v izračunah privzamemo približno r = r S ) imamo trajektorije, ki imajo svoj začetek in konec na površju črne luknje. S pomočjo programskega paketa Mathematica implementiramo algoritem za izračun posameznega tipa orbit. Postopamo takole: na začetku definiramo nekaj parametrov kot je navidezni parameter trka b in začetno oddaljenost r brez izgube splošnosti smemo privzeti φ = ). Nato s pomočjo potenciala.1) in parametra b določimo radialne koordinate obeh obračalnih točk. S pomočjo le-teh in začetne oddaljenosti r tako lahko določimo v katerem izmed treh možnih režimov tipov trajektorij) se nahajamo. Končno vpeljemo funkcijo φu; b, u 1 ) = u u 1 ) 1/ b w + w 3 dw,.16) ki je direktno povezana z enačbo.15). Potek potenciala nam določa interval za radialno komponento, oziroma za spremenljivko u = 1/r imenujmo jo kar radialno komponento, čeprav se zavedamo da u predstavlja inverz lete). Zgornji integral pa nam za dano začetno vrednost u 1 in vrednost u poda polarni kot. Tako imamo dani obe komponenti radij vektorja, ki opisuje trajektorijo delca oz. fotona). Pri tem se uporabi še ena uporabna zvijača in sicer parametriziramo radialno komponento u z nekim parametrom z, ki nam meri kje glede na periodo se delec nahaja na orbiti. Povedano drugače, za z [, 1) opišemo natančno eno periodo orbite. Seveda je takšen pomen parametra z smiselen le za orbite z dvema obračalnima točkama, v primeru ene obračalne točke pa določa potek radialne komponente od r pri z =, do r pri z = 1; seveda se pri tem spremeni polarni kot φ po enačbi.16). Na sliki ) vidimo potek spremenljivke u levo) in r desno) v odvisnosti od parametra z za nek b > b C. Na sliki 3) pa vidimo s pomočjo integrala.16) in parametrizacije u 5

izračunan potek polarnega kota φ od parametra z. Poznavanje obeh komponent rz), φz) ) nam podaja iskano krivuljo trajektorijo) v parametrizirani obliki..35.3.5 15 u..15 r 1.1 5.5..4.6.8 1 z..4.6.8 1 z Slika : Potek spremenljivke u v odvisnosti od parametra z levo), ter potek radialne komponente r = 1/u) od parametra z desno). 3 Φ 1..4.6.8 1 z Slika 3: Potek polarnega kota φ v odvisnosti od parametra z izračunan s pomočjo integrala.16) ter ustrezne parametrizacije uz). 6

.1. Ukrivljanje svetlobnih žarkov za b > b C 5 y r S x r S 5 1 15 1 1 Slika 4: Trajektorije svetlobnih žarkov v bližini črne luknje za različne vrednosti parametra b. r = ) 3. 4.5.8 4..6 3.5.4 R [ r S ] 3...5.. 1.5 1.8 1.6 1. 1. 1.4 1.6 1.8. 1. 1.5. b / b C b / b C Slika 5: Odvisnost polarnih koordinat obračalne točke T r, ϕ) od parametra b. 7

.1.3 Ujetje svetlobnih žarkov za b < b C y r S 1.5 1.5.5 1 5 1 15 Slika 6: Slika prikazuje trajektorije svetlobnih žarkov s parametrom b manjšim od kritičnega, zaradi česar se le-ti ujamejo v črno luknjo. r = ) x r S.1.4 Nastanek in ujetje žarkov pri r = r s in b > b C 1 y r S.5 x r S.5 1 1.5.5 1 Slika 7: Nastanek fotonov pri r r S in njihove orbite za različne vrednosti parametra b. Orbite takšnega tipa dovoljuje oblika potenciala, saj za določen b > b C obstajata dve obračalni točki, glej sliko 1). 8

. Rešitve za časovne geodetke κ = 1) Efektivni potencial za časovne geodetke se potlej zapiše V eff = 1 ) r ) 1 + L r r 3..17) Trajektorije izračunamo na enak način kot v prejšnjem primeru za ničelne geodetke. Slika 8) prikazuje obliko potenciala za različne vrednosti parametra L. S pomočjo slike vidimo, da ima potencial dva ekstrema 1, čemur ustrezajo.1 V poljubne enote -.1 -. -.3 -.4 -.5.5 5 7.5 1 1.5 15 17.5 r r S Slika 8: Potek efektivnega potenciala za različne vrednosti parametra L. Za energijo E < in V max > imamo vezane orbite. krožne orbite. Pri tem je orbita kjer ima potencial maksimum nestabilna, v minimumu potenciala pa je stabilna. Za določitev trajektorij si moramo izbrati najprej dva parametra L in celotno energijo E. Ločimo lahko štiri pet) različne tipe trajektorij...1 Tipi trajektorij za časovne geodetke Podobno kot v primeru ničelnih geodetk moramo ločiti več različnih tipov trajektorij v odvisnosti od vrednosti parametrov L, E ter začetnih pogojev r, φ ). Parameter L določa obliko efektivnega potenciala, slika 8), E pa energijo delca. Ločimo naslednje primere: 1 Trditev drži le, če je vrednost parametra L večja od 3. 9

Za E < E > V min točkama, slika 9), imamo vezane orbite z dvema obračalnima Za E = V min imamo stabilno krožno orbito, slika 11), Za E > E < V max ter r večji od obračalne točke z največjim radijem imamo nevezane trajektorije z eno obračalno točko sipanje, Za E > E < V max ter r manjši od obračalne točke z najmanjšim radijem imamo trajektorije, ki nastanejo in končajo v bližini r S za r privzamemo kar r r S ), Za E > V max imamo trajektorije delcev, ki padejo v črno luknjo. Sam numerični algoritem je identičen opisanemu za primer ničelnih geodetk s to razliko, da se enačba za izračun polarnega kota sedaj glasi V u, L) = 1 u + L u u 3 ) ), φu; E, L, u 1 ) =.. Vezane orbite u u 1 L E V w, L) ) 1/ dw..18) Vezane orbite imajo dve obračalni točki periastron in apoastron), če narišemo na isti graf potek efektivnega potenciala in energije vidimo, da se sekata v treh točkah dve od teh predstavljata omenjeni obračalni točki nahajamo se v potencialnem loncu ), slika 9). Dodaten relativističen člen v efektivnem potencialu.17) povzroči, da vezane orbite precesirajo, slika 1). 1

..1 V poljubne enote -.1 -. -.3 -.4 -.5 4 6 8 r r S Slika 9: Trajektorije določata efektivni potencial in energija modro) ter začetna) razdalja od izhodišča črne luknje). y r S 4 3 1-4 - 4 x r S -1 - Slika 1: Orbita delca za zgornji primer potenciala in energije vrednosti L in E). Takoj opazimo precesijo, ki je značilna za ta tip orbit v splošni teoriji relativnosti. Za majhne vrednosti mase M je precesijska frekvenca dana kot do najnižjega reda v M) [] ω p kjer je tukaj e ekscentričnost in a velika polos orbite. 3GM)3/,.19) c 1 e )a5/ 11

..3 Stabilna krožna orbita Limita vezanih orbit v minimumu potenciala je stabilna) krožna orbita, saj tam velja ṙ = ; dve obračalni točki se izrodita v eno samo. y rs. 1.1 V poljubne enote -.1 -. -.3 5-1 -5 5 1 x rs -5 -.4 -.5 4 6 8 r r S -1 Slika 11: Stabilna krožna orbita v minimumu efektivnega potenciala...4 Trajektorije z eno obračalno točko sipanje) Kadar je energija E pozitivna in manjša od maksimuma potenciala dobimo za delce trajektorije z eno obračalno točko. Pri tem gre dejansko za sipanje delcev v bližini črne luknje..1 V poljubne enote.5 -.5 -.1 4 6 8 r r S Slika 1: Za pozitivne energije E > ) in hkrati manjše od maksimuma potenciala dobimo trajektorije sipanja, glej še sliko 13). Prikazane so energije pri katerih smo izračunali trajektorije) 1

y r S 1-1 1 x r S -1 - Slika 13: Nekaj trajektorij sipanih delcev za različne vrednosti parametra E, glej tudi sliko 1). r = 4)..5 Delci ki nastanejo v bližini r r S in padejo v črno luknjo Za takšne delce je značilno, da imajo njihove trajektorije eno obračalno točko, na primer na sliki 9) je to prva najbližja črni luknji) obračalna točka tam kjer se sekata grafa za efektivni potencial in energijo). Dobimo podobne trajektorije kot že pri problemu ničelnih geodetk. Rezultate prikazuje slika 14). 13

y rs 1.5 1.5-1.5-1 -.5.5 1 x rs -.5-1 -1.5 Slika 14: Vrednosti parametra E so enake kot v primeru na sliki 1), obračalna točka za ta tip trajektorij je tista, ki je najbližje črni luknji...6 Delci ki padejo v črno luknjo E > V max) eff ) V to skupino spadajo vsi delci, ki imajo energijo večjo od maksimuma efektivnega potenciala, slika 15)...1 V poljubne enote -.1 -. -.3 -.4 -.5 4 6 8 r r S Slika 15: Za vrednosti parametra E večje od maksimuma efektivnega potenciala dobimo trajektorije delcev, ki padejo v črno luknjo, slika 16). 14

y r S 3 1-4 6 8 1 x r S -1 Slika 16: Trajektorije delcev, ki padejo v črno luknjo prestopijo potencialno oviro, ker imajo energijo E večjo od maksimuma efektivnega potenciala). r = 4) 3 Zaključek Preverili in izračunali smo ničelne in časovne geodetke v Schwarzschildovi metriki. Ugotovili smo, da lahko problem izračuna geodetk formuliramo kot problem izračuna trajektorij hipotetičnih) delcev v efektivnem potencialu, ki je v dveh členih enak Kepplerjevemu tretji člen predstavlja dodaten privlačen del v bližini črne luknje, kar je povsem posledica splošne teorije relativnosti. Videli smo da moramo ločiti med seboj večje število različnih tipov trajektorij. Numerični izračun je potekal s pomočjo paketa Mathematica. Literatura [1] Misner C. W., Thorne K. S., Wheeler J. A., Gravitation, W. H. Freeman and Company, San Francisco 1973). [] Wald R. M., General Relativity, The University of Chicago Press, Chicago 1984). [3] Teorija gravitacije, zapiski s predavanj 15