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프레임 드래그

Frame-dragging

프레임 드래그(frame-draging)는 알버트 아인슈타인의 일반 상대성이론의해 예측된 시공간에서의 영향이며, 이는 질량-에너지의 비정상적 정지 분포 때문이다.고정 필드는 안정된 상태이지만, 그 필드의 원인이 되는 질량은 예를 들어 회전하는 등 정적이지 않을 수 있습니다.보다 일반적으로 질량-에너지 전류에 의해 야기되는 영향을 다루는 주제는 중력 전자기학으로 알려져 있으며, 는 고전 전자기학의 자기와 유사하다.

최초의 프레임 드래그 효과는 1918년 오스트리아 물리학자 요제프 렌스와 한스 티링에 의해 일반 상대성 이론의 틀에서 도출되었으며 렌즈로도 알려져 있다.삼키는 효과.[1][2][3]그들은 거대한 물체의 회전이 시공간 측정법을 왜곡시켜 근처의 시험 입자의 궤도를 세차 상태로 만들 것이라고 예측했다.이것은 물체의 중력장이 물체의 회전이 아닌 질량에만 의존하는 뉴턴 역학에서 일어나지 않는다.렌즈-소비 효과는 매우 작습니다.몇 조분의 1 정도입니다.이를 감지하기 위해서는 매우 무거운 물체를 조사하거나 매우 민감한 기구를 만드는 것이 필요하다.

2015년에는 새로 발견된 래깅 방지 [4]효과를 포함하는 프레임의 기하학적 끌림을 설명하기 위해 뉴턴 회전 법칙의 새로운 일반 상대론적 확장이 공식화되었다.

영향들

회전 프레임 드래그(렌즈-질식 효과)는 일반 상대성 원리와 회전하는 거대한 물체 근처에서 유사한 이론에서 나타난다.렌즈 아래-시계효과, 즉 시계가 가장 빨리 움직이는 기준 프레임은 멀리 있는 관찰자가 볼 때 물체 주위를 회전하는 프레임입니다.이것은 또한 물체의 회전 방향으로 이동하는 빛이 멀리 있는 관찰자가 보는 것처럼 회전 반대 방향으로 이동하는 빛보다 더 빨리 거대한 물체를 지나쳐 간다는 것을 의미합니다.이것은 현재 가장 잘 알려진 프레임 드래그 효과로, 부분적으로는 중력 탐사선 B 실험 덕분입니다.질적으로 프레임 드래깅은 전자기 유도의 중력 유사체로 볼 수 있다.

또, 외부 영역보다 내부 영역을 더 끌어당긴다.그러면 로컬로 회전하는 흥미로운 프레임이 생성됩니다.예를 들어, 회전하는 블랙홀의 적도 상공의 궤도에 있고 별에 대해 회전하고 있는 북쪽-남쪽 방향의 아이스 스케이터가 팔을 뻗는다고 상상해 보십시오.블랙홀을 향해 뻗은 팔은 중력 자기 유도에 의해 스핀 방향으로 "토크"될 것입니다(중력 효과는 GR에서 "힘"으로 간주되지 않기 때문에 인용문에 "토크"되어 있습니다).마찬가지로 블랙홀에서 멀리 뻗은 팔도 회전 방지 토크를 받게 됩니다.따라서 그녀는 블랙홀과 역회전하는 의미에서 회전 속도가 빨라질 것이다.이것은 일상 생활에서 일어나는 일과는 정반대입니다.팔을 뻗었을 때 처음에 그 속도로 회전하면 관성 효과와 프레임 드래그 효과가 균형을 이루며 회전 속도가 변하지 않는 특정한 회전 속도가 존재합니다.등가 원리로 인해 중력 효과는 관성 효과와 국소적으로 구분할 수 없기 때문에 팔을 뻗었을 때 아무 일도 일어나지 않는 이 회전 속도는 비회전에 대한 국소 기준이 된다.이 프레임은 고정된 별에 대해 회전하고 있으며 블랙홀에 대해서는 역회전하고 있습니다.이 효과는 핵 스핀으로 인한 원자 스펙트럼의 초미세 구조와 유사하다.유용한 비유는 블랙홀이 태양 기어, 아이스 스케이터가 유성 기어, 외부 우주가 링 기어인 유성 기어 시스템입니다.마하의 원리를 참조하십시오.

또 다른 흥미로운 결과는, 자유낙하가 아닌 적도 궤도에 구속된 물체의 경우, 반회전 궤도를 돌면 무게가 더 나가고, 회전 방향을 돌면 무게가 더 적게 나간다는 것이다.예를 들어, 현수식 적도 볼링장에서, 반회전 방향으로 굴러가는 볼링 공은 회전 방향으로 굴러가는 공보다 무게가 더 나간다.프레임 드래그에서는 볼링공을 어느 방향으로도 가속하거나 감속하지 않습니다.그것은 "점성"이 아니다.마찬가지로 회전하는 물체 위에 매달려 있는 고정식 플램프 밥은 나열되지 않습니다.세로로 늘어뜨릴 거예요.떨어지기 시작하면 유도에 의해 스핀 방향으로 밀리게 됩니다.

선형 프레임 드래그마찬가지로 선형 운동량에 적용되는 일반 상대성 원리의 불가피한 결과입니다.이론적으로는 "회전" 효과와 동일한 이론적 정당성을 가지고 있지만, 효과에 대한 실험적인 검증을 얻는 것이 어렵다는 것은 그것이 훨씬 덜 논의되고 프레임 드래그에 관한 기사에서 종종 누락된다는 것을 의미한다.[5]

정적 질량 증가는 아인슈타인이 같은 [6]논문에서 언급한 세 번째 효과이다.그 효과는 다른 질량이 근처에 있을 때 물체의 관성이 증가하는 것이다.프레임 드래그 효과(프레임 드래그라는 용어는 아인슈타인에 의해 사용되지 않음)는 엄밀하게는 아니지만, 아인슈타인에 의해 일반 상대성 이론의 동일한 방정식에서 파생된다는 것이 입증되었습니다.그것은 또한 실험적으로 확인하기 어려운 아주 작은 효과이다.

실험 테스트

1976년, Van Patten과[7][8] Everitt는 렌즈의 측정을 목적으로 한 전용 임무를 실시할 것을 제안했습니다.항력 없는 장치에 의해 지상 극궤도에 배치되는 한 쌍의 역궤도 우주선의 절점 세차.다소 동등하고 값싼 발상은 1986년 시우폴리니에 의해 제시되었는데, 그는 1976년[9] 발사된 LAGEOS 위성과 동일한 궤도에서 수동적인 측지 위성을 발사할 것을 제안했고, 궤도 평면은 180도 떨어져 있어야 했다: 이른바 나비 형태였다.측정 가능한 양은, 이 경우, LAGEOS와 후에 LAGEOS III, LARES, WEBER-SAT로 명명된 새로운 우주선의 노드의 합계였다.

범위를 기존 궤도를 도는 물체와 관련된 시나리오로 제한하여 LAGEOS 위성과 위성 레이저 거리 측정(SLR) 기법을 사용하는 첫 번째 제안서 -열효과는 1977-1978년으로 [10]거슬러 올라간다.테스트는 1996년부터 [11]LAGEOS와 LAGEOS II 위성을 사용하여 효과적으로 수행되기 시작했다. 양 위성의 노드 및 LAGEOS II 근지점의 적절한 조합을 사용하는 전략이다[12].LAGEOS 위성에 대한 최신 테스트는 LAGEOS II의 근지점을 폐기하고 [15]선형 조합을 사용하여 2004-2006년에[13][14] 수행되었다.최근,[16] 인공 위성으로 렌즈-슬링 효과를 측정하려는 시도에 대한 포괄적인 개요가 문헌에 발표되었다.LAGEOS 위성을 사용한 테스트에서 도달한 전반적인 정확성은 [17][18][19]논란의 여지가 있다.

중력 탐사선 B 실험은[20][21] 스탠포드 그룹과 NASA가 인공위성에 기반한 임무로, 또 다른 중력 자기 효과인 자이로스코프의 [22][23][24]쉬프 세차 운동을 예상 정확도 1% 이상으로 실험적으로 측정하는데 사용되었다.불행하게도 그러한 정확성은 달성되지 않았다.2007년 4월에 발표된 첫 번째 예비 결과는 정확도가[25] 256~128%로 나타났으며,[26] 2007년 12월에는 약 13%에 도달할 것으로 기대했다.2008년 NASA 천체물리학 부문 운영 임무의 상급 검토 보고서는 중력 탐사선 B 팀이 현재 검증되지 않은 일반 상대성 [27][28]이론의 측면을 설득력 있게 테스트하는 데 필요한 수준으로 오류를 줄일 수 있을 것 같지 않다고 말했다.2011년 5월 4일 스탠포드에 본부를 둔 분석 그룹과 NASA가 최종 [29]보고서를 발표했는데, GP-B의 데이터는 약 19%의 오차로 프레임 드래그 효과를 나타내며 아인슈타인의 예측치는 신뢰구간 [30][31]중심에 있었다.

NASA는 GRACE 쌍둥이[32] 위성과 중력 탐사선 [33]B의 프레임 드래그 검증에 성공했다는 주장을 발표했는데, 이 두 가지 주장은 여전히 대중들에게 공개되어 있다.이탈리아,[34] 미국, 영국의 한 연구 그룹도 동료 리뷰 저널에 발표된 그레이스 중력 모델을 사용한 프레임 드래그 검증에 성공했다고 주장했다.모든 주장에는 보다 정확한 추가 연구를 위한 권고사항과 다른 중력 모델이 포함되어 있습니다.

회전하는 초대질량 블랙홀 근처에서 공전하는 별들의 경우, 프레임 드래그 때문에 별의 궤도면이 블랙홀 스핀 축을 중심으로 세차됩니다.이러한 효과는 우리은하 [35]중심에 있는 별들의 측성학적 관찰을 통해 으로 몇 년 안에 발견될 것입니다.

서로 다른 궤도에 있는 두 별의 궤도 세차 속도를 비교함으로써,[36] 원칙적으로 블랙홀의 스핀을 측정하는 것 외에 일반 상대성 이론의 털 없는 이론을 테스트할 수 있다.

천문학적 증거

상대론적 제트는 프레임 드래깅의 실체에 대한 증거를 제공할 수 있다.렌즈에 의해 생성된 중력 자기력-펜로즈의 에너지[39] 추출 메커니즘과 결합된 회전 블랙홀[37][38] 에르고스피어 내에서의 티어링 효과(프레임 드래그)는 상대론적 제트의 관측된 특성을 설명하기 위해 사용되어 왔다.Reva Kay Williams가 개발한 중력 자기 모델은 퀘이사활성 은하핵에서 방출되는 관측된 고에너지 입자(~GeV), X선, γ선 및 상대론적 e-e+ 쌍의 추출, 극축 주위의 시준 제트, 그리고 (궤도 평면에 상대적인) 제트의 비대칭 형성을 예측한다.

렌즈-질량이 큰 백색왜성[40]펄서로 구성된 쌍성계에서 티어링 효과가 관찰되었습니다.

수학적 유도

프레임 드래깅은 각운동량 J로 회전하는 질량 M 부근의 시공간 기하학적 구조를 설명하는 Ker [41][42]메트릭과 Boyer-Lindquist 좌표(변환에 대한 링크 참조)를 사용하여 가장 쉽게 설명할 수 있다.

여기s r은 슈바르츠실트 반지름입니다.

간결성을 위해 다음과 같은 약칭 변수가 도입된 경우

M(또는 동등하게s r)이 0이 되는 비상대론적 한계에서 Ker 메트릭은 타원형 구좌표에 대한 직교 메트릭이 된다.

Ker 측정 기준을 다음과 같은 형태로 다시 작성할 수 있습니다.

이 메트릭은 반지름 r과 결속도에 따라 달라지는 각속도 δ로 회전하는 공회전 기준 프레임과 동일합니다.

적도의 평면에서 이것은 다음과 [43]같이 단순화된다.

따라서 관성 기준 프레임은 회전하는 중심 질량에 의해 결합되어 후자의 회전에 참여하게 됩니다. 이것은 프레임 드래깅입니다.

Ker 측정기준이 특이점을 갖는 것으로 보이는 두 표면은 내부 표면은 타원형 구형 사건 수평선인 반면 외부 표면은 호박 [44][45]모양이다.에르고스피어는 이 두 표면 사이에 있다. 이 체적 내에서 순수 시간 성분tt g는 음수이다. 즉, 순수 공간 측정 성분처럼 작용한다.결과적으로, 이 에르고스피어 내의 입자들이 시간적인 특성을 유지하려면 내부 질량과 함께 회전해야 합니다.

회전하는 블랙홀의 에르고스피어 내에서 극단적인 프레임 드래그 현상이 발생합니다.커 메트릭에는 단수로 보이는 두 개의 표면이 있습니다.내부 표면은 슈바르츠실트 측정법에서 관측된 것과 유사한 구형 사건 지평선에 해당하며, 이는 다음과 같이 발생한다.

여기서 메트릭의 순수 반지름 성분rr g는 무한대로 갑니다.외부 표면은 스핀 매개 변수가 낮은 타원형 구형으로 근사할 수 있으며 스핀 매개 변수가 높은 호박[44][45] 모양과 유사합니다.회전축의 극과 접촉하며, 여기서 결속도 θ는 0 또는 θ이다. Boyer-Lindquist 좌표의 반지름은 다음 공식에 의해 정의된다.

여기서 메트릭 변경의 순수 시간 성분tt g는 양수에서 음수로 표시된다.이 두 표면 사이의 공간을 에르고스피어라고 합니다.움직이는 입자는 그 세계선과 시공간을 통과하는 경로를 따라 양의 적절한 시간을 경험합니다.단, 입자가 내부질량 M과 각속도 δ 이상의 공회전하지 않는 한 에르고스피어 에서는tt 불가능하다.그러나 위와 같이 에르고스피어 내뿐만 아니라 회전질량 및 반지름 r 및 결속도θ마다 프레임 드래그 현상이 발생한다.

회전 셸 내부의 렌즈-슬링 효과

렌즈-회전하는 껍데기 안의 티어링 효과는 1913년 에른스트 마하에게 쓴 편지에서 알버트 아인슈타인에 의해 마하 원리에 대한 지지뿐만 아니라 정당성을 입증하는 것으로 받아들여졌다.편지의 복제품은 휠러,[46] 손, 미스너에서 찾을 수 있다.우주론적 거리까지 확대된 일반적인 효과는 여전히 마하 [46]원리의 지지로 사용됩니다.

회전하는 구형 쉘 내부에서는 렌즈에 의한 가속-삼키는[47] 효과는

여기서 계수는

MG ≤ Rc2 이상일 경우,

회전하는 구형 쉘 내부의 시공간은 평평하지 않습니다.회전질량셸 내부의 평탄한 공간공간은 셸이 정밀구형에서 벗어나 셸 내부의 질량밀도를 [48]변화시키면 가능하다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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