Transition from regular to chaotic motion in black hole magnetospheres

Abstract

Cosmic black holes can act as agents of particle acceleration. We study properties of a system consisting of a rotating black hole immersed in a large-scale organized magnetic field. Electrically charged particles in the immediate neighborhood of the horizon are influenced by strong gravity acting together with magnetic and induced electric components. We relax several constraints which were often imposed in previous works: the magnetic field does not have to share a common symmetry axis with the spin of the black hole but they can be inclined with respect to each other, thus violating the axial symmetry. Also, the black hole does not have to remain at rest but it can instead perform fast translational motion together with rotation. We demonstrate that the generalization brings new effects. Starting from uniform electro-vacuum fields in the curved spacetime, we find separatrices and identify magnetic neutral points forming in certain circumstances. We suggest that these structures can represent signatures of magnetic reconnection triggered by frame-dragging effects in the ergosphere. We further investigate the motion of charged particles in these black hole magnetospheres. We concentrate on the transition from the regular motion to chaos, and in this context we explore the characteristics of chaos in...

Působení silné gravitace v okolí černých děr může vést k urychlení hmoty. V této práci zkoumáme vlastnosti systému tvořeného rotující černou dírou ve velkorozměrovém uspořádaném magnetickém poli. Nabité částice v blízkosti horizontu jsou kromě silné gravitace ovlivňovány magnetickým polem a indukovaným polem elektrickým. Oproti již dříve v literatuře diskutovaným situacím přidáváme některá významná zobecnění. Magnetické pole v našem případě nemusí být koaxiální s rotační osou černé díry, takže systém ztrácí osovou symetrii. Kromě toho předpokládáme translační pohyb černé díry s obecným směrem i rychlostí. Ukážeme, že díky tomu dochází k novým efektům. V komplikované struktuře výsledného magnetického pole pozorujeme v ergosféře jeho rychlé prostorové změny provázené vznikem nulových bodů, které dokazují, že gravitační působení rotujícího zdroje může podněcovat rekonekci magnetických siločar. Dále zkoumáme dynamické vlastnosti nabitých částic vystavených působení tohoto typu polí. Především se zajímáme o přechody mezi regulárním režimem a deterministickým chaosem, ke kterým dochází v závislosti na volbě parametrů. Při numerickém zkoumání částicové dynamiky aplikujeme v kontextu obecné relativity zatím nepoužitou metodu rekurenční analýzy.