Alhazmi, Fatimah (2026) Charged Particle Motion in Current-Generated Magnetic Fields Around Schwarzschild Black Holes. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Alhazmi_Thesis.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 28 June 2027. Download (11MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة حركة جسيم مشحون حول ثقب أسود شوارزشيلدي، في وجود مجال مغناطيسي ناتج عن تيار استوائي يحيط بالثقب الأسود. تأتي أهمية هذه المسألة من أن المادة المحيطة بالثقوب السوداء غالباً ما تكون ممغنطة، لذلك قد يؤثر المجال المغناطيسي بوضوح في حركة الجسيمات المشحونة القريبة منها. بدلاً من تمثيل التيار كحلقة مثالية عديمة السماكة، نستخدم توزيعاً تيارياً مستمراً ذا سماكة محدودة حول المستوى الاستوائي، ثم نحسب المجال المغناطيسي الناتج عنه من معادلات ماكسويل. ونستخدم المجال نفسه لدراسة المدارات الدائرية المستقرة، ورد الفعل الإشعاعي وفق تقريب Landau–Lifshitz، وترددات الاهتزازات الصغيرة حول هذه المدارات. تبين النتائج أن المجال المغناطيسي يغير بنية المدارات الدائرية المستقرة. ففي المستوى الاستوائي، قد تنقسم هذه المدارات إلى نطاقين منفصلين: نطاق داخلي قريب من الثقب الأسود ونطاق خارجي أبعد عنه. وبينهما تظهر فجوة لا توجد فيها مدارات دائرية استوائية مستقرة. كما يسمح المجال بوجود مدارات دائرية مستقرة خارج المستوى الاستوائي، فوقه وتحته، وهي المدارات الهالية. عند إضافة رد الفعل الإشعاعي، تنجرف المدارات الاستوائية الخارجية إلى الداخل حتى تصل إلى الحافة الداخلية للنطاق الخارجي المستقر، حيث تنتهي الحركة شبه الدائرية. أما المدارات الهالية التي فُحصت عددياً، فكان تطورها غالباً منتهياً بالسقوط نحو الثقب الأسود، ولم يظهر مسار هروب واضح ضمن المجال المدروس. ويبين تحليل الترددات أن بعض أزواج الترددات تبقى مختلفة عن حالة جسيم غير مشحون يتحرك بالجاذبية وحدها في فضاء شوارزشيلدي، خصوصاً في النطاق الاستوائي الخارجي. ومع ذلك، لا يعيد هذا النموذج إنتاج أزواج الترددات المعيارية ذات النسبة 3 : 2.

English Abstract

Accretion flows around black holes are expected to be magnetized, and charged particles can respond strongly to them. We study the motion of a charged particle around a Schwarzschild black hole in a magnetic field produced by an equatorial current loop. We construct the field by solving Maxwell’s equations for a smooth finite-width source, then use the same field to analyze circular motion, Landau–Lifshitz radiation reaction, and timing diagnostics. We find that the field changes the stable circular orbit structure. In the equatorial plane, stable circular orbits can form two separate bands, an inner band and an outer band, with an equatorial gap between them where no radially stable equatorial circular orbit exists. The same field also supports a stable halo family of circular orbits above and below the equatorial plane. With radiation reaction included, outer equatorial orbits drift inward toward the gap and reach the lower stability edge of the outer band. The sampled halo evolution is dominated by plunge, with no escape channel in the scanned domain. The timing analysis shows that some retained frequency pairs remain different from the geodesic Schwarzschild case, mainly on the outer equatorial band, with a smaller halo-precession contribution. The standard 3 : 2 benchmark frequency pairs are not reproduced in this model. These results connect the current source, magnetic field, orbit structure, dissipative evolution, and timing diagnostics in one model.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Thesis Advisor:	Abdallah Al-zahrani,
Thesis Committee Members:	Ashfaque Bokhari, Ashraf Farahat,
Depositing User:	FATIMAH ALHAZMI
Date Deposited:	01 Jul 2026 07:35
Last Modified:	01 Jul 2026 07:35
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144630