Orbital dynamics around a black hole surrounded by matter

Abstract

This thesis studies the dynamics of geodesic motion within a curved spacetime around a Schwarzschild black hole, perturbed by a gravitational field of a far axisymmetric dis- tribution of mass enclosing the system. This particular spacetime can serve as a versatile model for a diverse range of astrophysical scenarios. At the beginning of the thesis, a brief overview of the theory of classical mechanical systems and properties of geodesic motion are provided. A brief introduction to the theory of integrability and non-integrability, along with essential tools for analysis of non-integrable systems, including Poincaré sur- face of section and rotation numbers, is provided as well. These methods are subsequently applied to the under study spacetime through numerical methods. By utilising the rota- tion numbers, the widths of resonances are calculated, which are then used in establishing the relation between the perturbation parameter and the parameter characterising the perturbed metric. 1

Táto práca študuje dynamiku geodetického pohybu v zakrivenom priestoročase okolo Schwarzschildovej čiernej diery, perturbovanej gravitačným poľom vzdialenej osovo sy- metrickej distribúcie hmoty obklopujúcej systém. Tento konkrétny priestoročas môže slúžiť ako všestranný model pre rôznorodé astrofyzikálne scenáre. V úvode práce je poskytnutý stručný prehľad teórie klasických mechanických systémov a vlastností geodet- ického pohybu. Taktiež je poskytnuté stručné uvedenie do teórie integrability a neinte- grability spolu s podstatnými nástrojmi pre analýzu neintegrabilných systémov, zahrňu- júc Poincarého rezy a rotačné čísla. Tieto metódy sú následne aplikované na skúmaný priestoročas pomocou numerických metód. Využitím rotačných čísel sú vypočítané šírky rezonancií, ktoré sú neskôr použité k stanoveniu vzťahu medzi pertubačným parametrom a parametrom charakterizujúcim perturbovanú metriku. 1