物理与电信工程学院物理学拔尖基地本科生陈映璇在《Physical Review D》发表黑洞物理方面研究成果

我校物理与电信工程学院黄家辉副教授指导的物理学拔尖基地本科生陈映璇开展了黑洞周围的球形光子轨道的研究。2月27日，相关成果以“Radii of spherical photon orbits around Kerr-Newman black holes”为题，在线发表于《Physical Review D》。本科生陈映璇为第一作者，黄家辉副教授和江浩湘博士为共同通讯作者。

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一类奇妙的天体。近年来，随着黑洞并合产生的引力波及黑洞照片的观测，黑洞的存在性得到证实，并且与实验观测相关的黑洞性质引起广泛研究。黑洞周围的束缚光子轨道对于黑洞的宇宙学观测具有重要意义。黑洞并合产生引力波的早期铃宕过程的频率和衰减时间与光子轨道的不稳定性质相关，黑洞照片中黑洞阴影的半径并不是黑洞视界的半径而是取决于黑洞周围的光子轨道的半径。四维时空中，Kerr-Newman (KN) 黑洞是最一般的稳态电磁真空黑洞解，目前缺乏对其周围束缚光子轨道性质的系统研究。

本研究利用解析和数值的方法给出了KN黑洞周围一般的球形光子轨道半径的解并分析了轨道的稳定性。KN黑洞周围一般的球形光子轨道的半径满足一个6次多项式方程，方程依赖于与KN黑洞和入射光子相关的三个参数：转动参数、电荷参数、有效倾角。在极轴面内(有效倾角等于1)，本研究发现KN黑洞周围只有两条球形光子轨道，位于黑洞视界的内部和外部，并给出了轨道半径的解析表达式。在赤道面内(有效倾角等于0)，本研究发现极端KN黑洞周围有三条球形光子轨道，并给出了相应轨道半径的解析表达式，还发现当转动参数大于1/4(即黑洞转速较快时)只有一条逆行光子轨道在黑洞视界外，当转动参数小于1/4，有两条光子轨道在黑洞视界外(一条逆行、一条顺行)；对于非极端KN黑洞，研究发现参数空间中存在一条临界曲线，当参数取临界曲线上值时，KN黑洞周围有三条光子轨道，其轨道半径有较简单的解析表达式，当参数取临界曲线两侧的值时，KN黑洞周围分别存在四条或者两条光子轨道。对于一般情况的有效倾角，研究发现在参数空间中存在一个临界曲面，曲面两侧分别对应KN黑洞周围分别存在四条或者两条光子轨道。最后，本研究通过数值计算发现KN黑洞视界外的球形光子轨道都是径向不稳定的。

该严谨工作得到省级大创项目(S202110574095、广东省基础与应用基础研究重大项目、广东省基础与应用基础研究项目、广州市科技计划项目的部分支持。