光线追踪的求解新方法及其应用

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快速计算Kerr时空中粒子(光子和静止质量非零的粒子)的测地线轨道对于天文研究具有重要意义。这些轨道不但是黑洞周围吸积物质运行轨迹的近似,也可以看出是物质辐射转移的路径。同时这也是理论上研究弯曲时空中物体成像和计算谱及谱线的基础。本文基于Carlson的椭圆积分方法发展了一套计算Kerr时空中光子测地线的Fortran程序以及它的测试和简单应用。测试应用的结果显示程序是友好和有效的,能够满足大多数情况下的计算需要,并且计算结果的质量较以前的程序有相当的改进。  Kerr时空中作测地线运动的粒子满足测地线方程组,是四个坐标函数的二阶微分方程组。Carter在1968年用分析力学的方法将这组方程由二阶降为一阶,同时得到了四个积分常数E,Lz,H,Q。E是无穷远处观测者测得的粒子的能量,Lz是其测得的粒子相对于黑洞自转轴的角动量,H是Hamiltonian,且H=-1/2μ2,μ是粒子的静止质量,Q称为Carter常数,同时他还得到了方程组的积分形式。我们在这里处理的就是这组方程的积分形式。求解积分形式的方程组归结到最后就是计算一些椭圆积分。  Carlson在上世纪70到90年代发展了一套计算椭圆积分的新方法,他重新定义了四个基本积分作为计算的基础。然后证明了能够快速完成这些积分的定理。然后经过复杂的推导将所有的椭圆积分表示成了这四个积分的组合。在他的新方法中具有程序化的特点,非常适合编程计算。同时他的椭圆积分的标准形式又非常简单,任何复杂的椭圆积分都可以迅速的化简。所以其非常适合用来计算在求解运动方程时出现的椭圆积分。  为了使计算更加快速,简化讨论的情况,在我们的计算中使用了Weierstra-SS的椭圆积分和椭圆函数作为积分化简的中间过渡。然后我们引入了一个参数p,其定义是关于r或θ坐标的积分,将四个坐标表示成p的函数。其中r和θ可以用Weierstrass和Jacobi椭圆函数写成明显的形式,而t和φ则表示成p的数值函数形式。由此我们可以计算任意测地线的任意坐标。  而在具体计算某条测地线之前必须首先给定四个积分常数E,Lz,H,Q。对于光子H=0,而对于E,Lz,Q则将以组合的形式出现,即λ=Lz/E,q=Q/E2。这里已经引入两个新的参量λ,g。因为光子最后都打在观测者的屏幕上面,即观测者屏幕上的位置与光线有一一对应的关系。观测者屏幕上建立一个直角坐标系,用α,β表示,称为碰撞参数。这样就有λ=λ(α,β),q=q(α,β)。在本文中我们将这个关系推广到了最普遍的情况,即观测者处于任意运动状态。这使得观测者可以处在任意的位置和状态对物体进行成像。  我们讨论了一种普遍的物体成像的方法。这可以满足通常的需求。但缺点是必须要求被成像的物体可以用一个解析的函数来表示。  接着我们讨论了所谓的观测者-发射物体问题,即给定观测者和发射物体的坐标,求连接他们的测地线。在本文中这个问题最后归结为求方程组根的问题。我们使用Newton-Raphson求根法解决了这个问题。由此可以快速的确定观测者和发射者之间的测地线。  本文中的讨论简单但是普遍,希望里面的结论对于解释天文观测现象有所帮助。
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