弯曲时空中粒子碰撞与加速、强引力透镜效应以及黑洞能量提取

摘要

黑洞物理是广义相对论、量力力学、热力学和统计物理等诸多学科的的交叉领域，是物理学研究的前沿和热点领域，这是因为弄清多学科交叉领域中的一些基本问题的物理本质和规律，就能使这些学科乃至物理学得到更加全面、深入和协调地发展。本文对人们关注的弯曲时空中粒子加速与碰撞、强引力透镜效应以及黑洞能量提取机制进行了研究，得到了一些新结论:
　　 第一、利用Banados，Silk和West(BSW)提出的黑洞作为宇宙天体中粒子加速器的设想，即BSW机制，研究了两个不同静止质量粒子在Kerr-Taub-NUT时空背景下碰撞及加速，得出了粒子碰撞后的质心能。结果表明:质心能不仅与Kerr-Taub-NUT时空的旋转参数有关，而且与时空的NUT荷有关。尤其对于极端Kerr-Taub-NUT黑洞，无限制大的质心能约束了Kerr-Taub-NUT时空的旋转参数a和时空的NUT荷n的取值范围，约束条件为a的取值为范围[1，(√)2]，而n在[0，1]区间取值。这是与Kerr和Kerr-Newman黑洞时空极为不同的新特性。
　　 同时，研究了两个沿一般类时测地线运动的束缚或非束缚粒子在Kerr-Newman时空背景下粒子的BSW机制，得出了粒子碰撞体系的质心能。在直接碰撞和LSO碰撞过程中，无限制大的质心能对Kerr-Newman黑洞的旋转参数a和电荷q存在约束。粒子碰撞区域集中于赤道面的南北对称的纬度带，且黑洞的所带电荷阻碍了获得任意高质心能的碰撞区域纬度带的增大。
　　 第二，研究了稳态的准Kerr致密天体的强引力透镜效应。假定银河系中心天体由旋转准Kerr度规所描述，计算了强引力透镜效应所产生的偏转角α（θ）及其系数(b)、ā，同时给出相应天文可观测量并进行可行性分析。研究表明:四极矩修正参数ξ的存在显著的影响了相对论像的位置、偏转角以及相应的天文可观测量。当四极矩修正参数取正（负）值时，光球半径rps、碰撞参数ups、偏转角系数(b)、相对论像的相对亮度rm及最内侧的像θ∞的视位置大于（小于）Kerr黑洞作为引透镜得到的相对应的结果。而偏转角系数ā、偏转角α（θ）、相对论像的首像与其他像的角距s则小于（大于）Kerr黑洞作为引透镜得到的相对应的结果。因此可通过测定强引力透镜效应所产生的相对论像来探测天文黑洞所具有的四极矩信息以及偏离Kerr黑洞的程度。
　　 第三、基于Penrose提出的黑洞能量提取机制，我们以Johannsen提出非Kerr旋转黑洞为对象，研究了非Kerr旋转黑洞的能层区域的性质。发现能层区域结构对形变参数的变化非常敏感，且能层的厚度随形变参数增大而增大，这是非Kerr旋转黑洞的一个重要特性。同时我们研究了Penrose过程的能量提取机制，分析了能层内形变参数(ε)对负能量态的影响，得出正的形变参数能够扩大粒子的负能量态的取值范围。通过计算能量提取最大效率，发现形变参数能提高非Kerr旋转黑洞中能量提取最大效率。尤其值得注意得是:当a＞M时，非Kerr度规所描述的旋转紧致天体Penrose过程的能量提取最大效率可超过60％，与极端Kerr黑洞能量提取最大效率为20.7％较相比，这是一个极大的提高。对非Kerr旋转黑洞的能量提取机制的研究结果可用来验证天文黑洞是否为广义相对论所给出Kerr旋转黑洞。

目录

摘要

第一章 绪论

§1．1 弯曲时空中粒子碰撞与加速

§1．2 弯曲时空中的引力透镜效应

§1．2．1 引力透镜效应的基本原理

§1．2．2 引力透镜的一些基本性质

§1．2．3 引力透镜的分类及应用

§1．2．4 静态球对称黑洞时空的强引力透镜效应

§1．3 黑洞的能量提取机制

§1．3．1 Penrose过程

§1．3．2 碰撞Penrose过程

§1．3．3 Misner超辐射

§1．3．4 Blandford-Znajek机制

第二章 粒子在Kerr-Taub-NUT时空中的碰撞与加速

§2．1 研究背景及意义

§2．2 Kerr-Taub-NUT时空中的粒子轨道

§2．2．1 Kerr-Taub-NUT时空背景下的碰撞粒子体系质心能

§2．2．2 非极端KTN时空背景下视界附近粒子碰撞

§2．2．3 极端KTN时空背景下视界附近粒子碰撞

§2．3 小结与讨论

第三章 KerrNewman黑洞时空中沿一般测地线运动的粒子碰撞与加速

§3．1 Kerr-Newman时空中的粒子轨道

§3．2 KN黑洞背景下沿一般测地线碰撞粒子的质心能

§3．2．1 KN黑洞背景下视界处碰撞粒子质心能

§3．2．2 粒子在极端KN黑洞时空中的碰撞区域

§3．2．3 小结与讨论

第四章 带有四极矩的准Kerr致密天体的强引力透镜效应

§4．1 带有四极矩的准Kerr致密天体

§4．2 旋转准Kerr致密天体中光子轨迹及偏转角

§4．3 准Kerr天体背景下强引力透镜效应的天文可观测量

§4．4 天文观测量可行性分析

§4．5 小结与讨论

第五章 旋转非Kerr黑洞中的能量提取

§5．1 旋转非Kerr黑洞中的能量提取

§5．1．1 旋转非Kerr黑洞及能层结构

§5．1．2 利用Penrose机制提取黑洞能量

§5．1．3 小结与讨论

第六章 总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

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