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Carter constant

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5632: 701: 5618: 3867: 1837: 31: 3652: 1622: 714: 5062: 4535: 3862:{\displaystyle \mathbf {L} ={\boldsymbol {x}}\wedge {\boldsymbol {p}}=rp_{\theta }{\boldsymbol {dr}}\wedge {\boldsymbol {d\theta }}+rp_{\phi }{\boldsymbol {dr}}\wedge {\boldsymbol {d\phi }}=mr^{3}{\dot {\theta }}{\boldsymbol {dr}}\wedge {\boldsymbol {d\theta }}+mr^{3}\sin ^{2}\theta \,{\dot {\phi }}\,{\boldsymbol {dr}}\wedge {\boldsymbol {d\phi }}} 1832:{\displaystyle \mathbf {L} ={\boldsymbol {x}}\wedge {\boldsymbol {p}}=rp_{\theta }{\boldsymbol {dr}}\wedge {\boldsymbol {d\theta }}+rp_{\phi }{\boldsymbol {dr}}\wedge {\boldsymbol {d\phi }}=mr^{3}{\dot {\theta }}{\boldsymbol {dr}}\wedge {\boldsymbol {d\theta }}+mr^{3}\sin ^{2}\theta \,{\dot {\phi }}\,{\boldsymbol {dr}}\wedge {\boldsymbol {d\phi }}} 4739: 4232: 4116: 1076: 3387: 2759: 5057:{\displaystyle C=m^{2}r^{4}{\dot {\theta }}^{2}+m^{2}r^{4}\sin ^{2}\theta \cos ^{2}\theta \,{\dot {\phi }}^{2}=m^{2}r^{4}{\dot {\theta }}^{2}+m^{2}r^{4}\sin ^{2}\theta \,{\dot {\phi }}^{2}-m^{2}r^{4}\sin ^{4}\theta \,{\dot {\phi }}^{2}=L^{2}-L_{z}^{2}} 4530:{\displaystyle L^{2}=g^{\theta \theta }r^{2}p_{\theta }^{2}+g^{\phi \phi }r^{2}p_{\phi }^{2}=g_{\theta \theta }r^{2}(p^{\theta })^{2}+g_{\phi \phi }r^{2}(p^{\phi })^{2}=m^{2}r^{4}{\dot {\theta }}^{2}+m^{2}r^{4}\sin ^{2}\theta \,{\dot {\phi }}^{2}} 4731: 2636: 3566: 2887: 3042: 4001: 3967: 4620: 3468: 2448: 5411: 4166: 3914: 102: 928: 3196: 3302: 3307: 2642: 472: 2319: 1237: 1486: 3615: 1617: 1353: 900: 1433: 3262: 2934: 2021: 1529: 2145: 745: 4195: 3644: 5185: 1180: 5604: 4224: 3993: 2482: 1563: 5212: 1107: 5125: 1914: 846: 2536: 2509: 1284: 124: 5492: 5466: 2178: 1140: 5570: 1887: 5239: 5093: 4625: 3101: 1376: 816: 2544: 5544: 5518: 5440: 2094: 5259: 5145: 3121: 3074: 2343: 2260: 2240: 2198: 2064: 2044: 1957: 1937: 1857: 1257: 329: 3473: 2770: 4111:{\displaystyle {\boldsymbol {L^{*}}}=mr^{2}{\dot {\theta }}{\boldsymbol {\hat {\theta }}}+mr^{2}\sin \theta \,{\dot {\phi }}\,{\boldsymbol {\hat {\phi }}}} 2942: 3056:
for non-spinning black holes allows one to reduce the problem of finding the trajectories of particles to three dimensions. In this case one only needs
682: 492: 334: 3919: 447: 4544: 3392: 1287: 738: 2359: 5270: 360: 194: 5631: 4124: 3876: 700: 399: 37: 3123:
to determine the motion; however, the symmetry leading to Carter's constant still exists. Carter's constant for Schwarzschild space is:
731: 111: 1071:{\displaystyle C=p_{\theta }^{2}+\cos ^{2}\theta {\Bigg (}a^{2}(m^{2}-E^{2})+\left({\frac {L_{z}}{\sin \theta }}\right)^{2}{\Bigg )}} 5742: 137: 417: 3129: 30: 5655: 2350: 915: 324: 3382:{\displaystyle {\boldsymbol {p}}=p_{r}{\boldsymbol {dr}}+p_{\theta }{\boldsymbol {d\theta }}+p_{\phi }{\boldsymbol {d\phi }}} 1959:. This results in some confusion as to the form of Carter's constant. For example it is sometimes more convenient to use: 3271: 457: 5665: 3203: 2754:{\displaystyle n^{\nu }=\left({\frac {r^{2}+a^{2}}{2\Sigma }},-{\frac {\Delta }{2\Sigma }},0,{\frac {a}{2\Sigma }}\right)} 411: 119: 5660: 919: 477: 2219:
of that system. Carter's constant is related to a higher order symmetry of the Kerr metric generated by a second order
1295: 718: 209: 129: 2268: 1185: 5768: 1438: 622: 170: 3571: 1572: 1301: 854: 422: 234: 497: 1384: 657: 647: 314: 3211: 376: 642: 5650: 1569:. Thus, the conserved energy constant and angular momentum constant are not to be confused with the energy 903: 442: 5730: 612: 597: 204: 2066:
is useful because it is always non-negative. In general any fourth conserved quantity for motion in the
3265: 2896: 1965: 1491: 782: 587: 155: 5617: 2099: 4171: 3620: 5763: 5696: 5150: 3053: 2220: 2212: 1145: 407: 5575: 4200: 2216: 602: 582: 572: 567: 552: 319: 3976: 2457: 1538: 462: 5623: 5190: 1085: 771: 763: 652: 537: 309: 214: 199: 160: 22: 5068:
In the Schwarzschild case, all components of the angular momentum vector are conserved, so both
5098: 1892: 824: 5738: 4726:{\displaystyle L_{z}=p_{\phi }=g_{\phi \phi }p^{\phi }=mr^{2}\sin ^{2}\theta \,{\dot {\phi }}} 3206: 2514: 2487: 1262: 532: 482: 257: 5471: 5445: 2631:{\displaystyle l^{\mu }=\left({\frac {r^{2}+a^{2}}{\Delta }},1,0,{\frac {a}{\Delta }}\right)} 2150: 1112: 5704: 5549: 1862: 819: 627: 607: 562: 542: 487: 5217: 5071: 3079: 1361: 794: 2201: 662: 637: 522: 517: 381: 262: 224: 5523: 5497: 5419: 2073: 1939:
and the three other constants of the motion can be used as a fourth constant in place of
432: 5700: 3561:{\displaystyle p_{\phi }=g_{\phi \phi }p^{\phi }=r^{2}\sin ^{2}\theta \,m{\dot {\phi }}} 902:
provide the four conserved quantities necessary to uniquely determine all orbits in the
5722: 5684: 5637: 5244: 5130: 3106: 3059: 2328: 2245: 2225: 2183: 2049: 2029: 1942: 1922: 1842: 1242: 785: 705: 672: 667: 355: 219: 5572:
corresponds to orbits confined to the equatorial plane of the coordinate system, i.e.
2882:{\displaystyle \Sigma =r^{2}+a^{2}\cos ^{2}\theta \ ,\ \ \Delta =r^{2}-r_{s}\ r+a^{2}} 5757: 2346: 1532: 1379: 1291: 775: 632: 592: 547: 527: 452: 350: 229: 3037:{\displaystyle l^{(\mu }n^{\nu )}={\frac {1}{2}}(l^{\mu }n^{\nu }+l^{\nu }n^{\mu })} 577: 557: 3962:{\displaystyle {\boldsymbol {\hat {\phi }}}=r\sin \theta \,{\boldsymbol {d\phi }}} 914:
Carter noticed that the Hamiltonian for motion in Kerr spacetime was separable in
778:
are kg⋅m⋅s. Carter's constant was derived for a spinning, charged black hole by
5645: 4615:{\displaystyle p_{\theta }=g_{\theta \theta }p^{\theta }=mr^{2}{\dot {\theta }}} 3463:{\displaystyle p_{\theta }=g_{\theta \theta }p^{\theta }=r^{2}m{\dot {\theta }}} 2067: 1566: 1356: 779: 467: 437: 5726: 5613: 3970: 1919:
Because functions of conserved quantities are also conserved, any function of
767: 677: 239: 165: 5708: 849: 248: 2443:{\displaystyle K^{\mu \nu }=2\Sigma \ l^{(\mu }n^{\nu )}+r^{2}g^{\mu \nu }} 5406:{\displaystyle K=C+(L_{z}-aE)^{2}=(L^{2}-L_{z}^{2})+(L_{z}-aE)^{2}=L^{2}} 617: 427: 267: 4161:{\displaystyle {\vec {\boldsymbol {r}}}\times m{\vec {\boldsymbol {v}}}} 3909:{\displaystyle {\boldsymbol {\hat {\theta }}}=r{\boldsymbol {d\theta }}} 5687:(1968). "Global structure of the Kerr family of gravitational fields". 2070:
family of spacetimes may be referred to as "Carter's constant". In the
97:{\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={\kappa }T_{\mu \nu }} 918:, allowing the constants of such motion to be easily identified using 789: 2349:
of the particle in motion. The components of the Killing tensor in
5442:. This is also clearly conserved. In the Schwarzschild case both 1109:
is the latitudinal component of the particle's angular momentum,
2215:
states that each conserved quantity of a system generates a
3191:{\displaystyle C=p_{\theta }^{2}+L_{z}^{2}\cot ^{2}\theta } 1259:
is the spin parameter of the black hole. Note that here
5578: 5552: 5526: 5500: 5474: 5448: 5422: 5273: 5247: 5220: 5193: 5153: 5133: 5101: 5074: 4742: 4628: 4547: 4235: 4203: 4174: 4127: 4004: 3979: 3922: 3879: 3655: 3623: 3574: 3476: 3395: 3310: 3297:{\displaystyle {\boldsymbol {x}}=r{\boldsymbol {dr}}} 3274: 3214: 3132: 3109: 3082: 3062: 2945: 2899: 2773: 2645: 2547: 2517: 2490: 2460: 2362: 2331: 2271: 2248: 2228: 2186: 2153: 2102: 2076: 2052: 2032: 1968: 1945: 1925: 1895: 1865: 1845: 1625: 1575: 1541: 1494: 1441: 1387: 1364: 1304: 1298:
which may be calculated from the particle's position
1265: 1245: 1188: 1148: 1115: 1088: 931: 857: 827: 797: 40: 1182:
is the particle's conserved axial angular momentum,
5598: 5564: 5538: 5512: 5486: 5460: 5434: 5405: 5253: 5233: 5206: 5179: 5139: 5119: 5087: 5056: 4725: 4614: 4529: 4218: 4189: 4160: 4110: 3987: 3961: 3908: 3861: 3638: 3609: 3560: 3462: 3381: 3296: 3256: 3190: 3115: 3095: 3068: 3036: 2928: 2881: 2753: 2630: 2538:are the components of the principal null vectors: 2530: 2503: 2476: 2442: 2337: 2313: 2254: 2234: 2192: 2172: 2139: 2088: 2058: 2038: 2015: 1951: 1931: 1908: 1881: 1851: 1831: 1619:measured by an observer and the angular momentum 1611: 1557: 1523: 1480: 1427: 1370: 1347: 1278: 1251: 1231: 1174: 1134: 1101: 1070: 922:. The Carter constant can be written as follows: 894: 840: 810: 96: 4102: 4051: 3929: 3886: 1063: 974: 2200:is the norm of the angular momentum vector, see 5737:. New York: W. H. Freeman and Co. p. 899. 16:Constant of motion in the Kerr-Newman spacetime 2314:{\displaystyle C=K^{\mu \nu }u_{\mu }u_{\nu }} 1232:{\displaystyle m={\sqrt {|p_{\mu }p^{\mu }|}}} 4226:are with respect to proper time. Its norm is 1481:{\displaystyle p_{\mu }=g_{\mu \nu }p^{\nu }} 906:spacetime (even those of charged particles). 739: 8: 3610:{\displaystyle {\dot {\phi }}=d\phi /d\tau } 2484:are the components of the metric tensor and 1612:{\displaystyle U_{\rm {obs}}^{\mu }p_{\mu }} 1348:{\displaystyle X^{\mu }=(t,r,\theta ,\phi )} 895:{\displaystyle {\sqrt {|p_{\mu }p^{\mu }|}}} 788:in 1968. Carter's constant along with the 746: 732: 298: 188: 18: 5588: 5577: 5551: 5525: 5499: 5473: 5447: 5421: 5397: 5384: 5365: 5346: 5341: 5328: 5312: 5293: 5272: 5246: 5225: 5219: 5198: 5192: 5171: 5158: 5152: 5132: 5111: 5106: 5100: 5079: 5073: 5048: 5043: 5030: 5017: 5006: 5005: 5003: 4991: 4981: 4971: 4958: 4947: 4946: 4944: 4932: 4922: 4912: 4899: 4888: 4887: 4880: 4870: 4857: 4846: 4845: 4843: 4831: 4815: 4805: 4795: 4782: 4771: 4770: 4763: 4753: 4741: 4712: 4711: 4710: 4698: 4688: 4672: 4659: 4646: 4633: 4627: 4601: 4600: 4594: 4578: 4565: 4552: 4546: 4521: 4510: 4509: 4507: 4495: 4485: 4475: 4462: 4451: 4450: 4443: 4433: 4420: 4410: 4397: 4384: 4371: 4361: 4348: 4335: 4322: 4317: 4307: 4294: 4281: 4276: 4266: 4253: 4240: 4234: 4205: 4204: 4202: 4176: 4175: 4173: 4147: 4146: 4129: 4128: 4126: 4097: 4096: 4095: 4084: 4083: 4082: 4067: 4046: 4045: 4034: 4033: 4027: 4010: 4005: 4003: 3980: 3978: 3951: 3950: 3924: 3923: 3921: 3898: 3881: 3880: 3878: 3851: 3840: 3839: 3828: 3827: 3826: 3814: 3804: 3786: 3775: 3764: 3763: 3757: 3739: 3728: 3722: 3704: 3693: 3687: 3672: 3664: 3656: 3654: 3625: 3624: 3622: 3596: 3576: 3575: 3573: 3547: 3546: 3542: 3530: 3520: 3507: 3494: 3481: 3475: 3449: 3448: 3439: 3426: 3413: 3400: 3394: 3371: 3365: 3350: 3344: 3329: 3323: 3311: 3309: 3286: 3275: 3273: 3248: 3235: 3219: 3213: 3176: 3166: 3161: 3148: 3143: 3131: 3108: 3087: 3081: 3061: 3025: 3015: 3002: 2992: 2975: 2963: 2950: 2944: 2917: 2904: 2898: 2873: 2854: 2841: 2807: 2797: 2784: 2772: 2731: 2707: 2684: 2671: 2664: 2650: 2644: 2613: 2586: 2573: 2566: 2552: 2546: 2522: 2516: 2495: 2489: 2465: 2459: 2431: 2421: 2405: 2392: 2367: 2361: 2330: 2305: 2295: 2282: 2270: 2247: 2227: 2185: 2164: 2152: 2131: 2126: 2113: 2101: 2075: 2051: 2031: 2007: 1988: 1967: 1944: 1924: 1900: 1894: 1870: 1864: 1844: 1821: 1810: 1809: 1798: 1797: 1796: 1784: 1774: 1756: 1745: 1734: 1733: 1727: 1709: 1698: 1692: 1674: 1663: 1657: 1642: 1634: 1626: 1624: 1603: 1593: 1581: 1580: 1574: 1546: 1540: 1515: 1499: 1493: 1472: 1459: 1446: 1440: 1428:{\displaystyle U^{\mu }=dX^{\mu }/d\tau } 1414: 1408: 1392: 1386: 1363: 1309: 1303: 1270: 1264: 1244: 1222: 1216: 1206: 1197: 1195: 1187: 1166: 1153: 1147: 1142:is the conserved energy of the particle, 1126: 1114: 1093: 1087: 1062: 1061: 1055: 1032: 1026: 1009: 996: 983: 973: 972: 960: 947: 942: 930: 885: 879: 869: 860: 858: 856: 832: 826: 802: 796: 85: 76: 64: 45: 39: 5264:The other form of Carter's constant is 3257:{\displaystyle L_{ij}=x_{i}\wedge p_{j}} 5676: 4149: 4131: 4099: 4048: 4007: 3955: 3952: 3926: 3902: 3899: 3883: 3855: 3852: 3844: 3841: 3790: 3787: 3779: 3776: 3743: 3740: 3732: 3729: 3708: 3705: 3697: 3694: 3673: 3665: 3375: 3372: 3354: 3351: 3333: 3330: 3312: 3290: 3287: 3276: 1839:. The angular momentum component along 1825: 1822: 1814: 1811: 1760: 1757: 1749: 1746: 1713: 1710: 1702: 1699: 1678: 1675: 1667: 1664: 1643: 1635: 368: 342: 301: 247: 21: 2262:than used above). In component form: 1239:is the rest mass of the particle, and 7: 3969:represent an orthonormal basis, the 3202:To see how this is related to the 2929:{\displaystyle l^{(\mu }n^{\nu )}} 2831: 2774: 2740: 2716: 2709: 2695: 2618: 2593: 2382: 2016:{\displaystyle K=C+(L_{z}-aE)^{2}} 1588: 1585: 1582: 1524:{\displaystyle p^{\mu }=mU^{\mu }} 57: 14: 2936:are notation for symmetrization: 2140:{\displaystyle C=L^{2}-L_{z}^{2}} 5630: 5616: 5147:is clearly conserved. For Kerr, 4190:{\displaystyle {\dot {\theta }}} 4011: 3981: 3657: 3639:{\displaystyle {\dot {\theta }}} 2208:As generated by a Killing tensor 1627: 1355:parameterized by the particle's 713: 712: 699: 29: 5180:{\displaystyle L_{z}=p_{\phi }} 1175:{\displaystyle L_{z}=p_{\phi }} 5599:{\displaystyle \theta =\pi /2} 5381: 5358: 5352: 5321: 5309: 5286: 4417: 4403: 4368: 4354: 4219:{\displaystyle {\dot {\phi }}} 4152: 4134: 3052:The spherical symmetry of the 3031: 2985: 2967: 2951: 2921: 2905: 2409: 2393: 2004: 1981: 1342: 1318: 1223: 1198: 1015: 989: 886: 861: 1: 774:formulation of gravity. Its 4733:, upon substitution we get 3988:{\displaystyle \mathbf {L} } 2477:{\displaystyle g^{\mu \nu }} 1558:{\displaystyle g_{\mu \nu }} 5656:Boyer–Lindquist coordinates 5207:{\displaystyle p_{\theta }} 3995:in an orthonormal basis is 2351:Boyer–Lindquist coordinates 1296:Boyer-Lindquist coordinates 1102:{\displaystyle p_{\theta }} 916:Boyer–Lindquist coordinates 210:Gravitational time dilation 5785: 5666:Euler's three-body problem 330:Mathisson–Papapetrou–Dixon 171:Pseudo-Riemannian manifold 5120:{\displaystyle L_{z}^{2}} 1909:{\displaystyle p_{\phi }} 841:{\displaystyle p_{\phi }} 5709:10.1103/PhysRev.174.1559 5661:Hamilton–Jacobi equation 2531:{\displaystyle n^{\nu }} 2504:{\displaystyle l^{\mu }} 1279:{\displaystyle p_{\mu }} 335:Hamilton–Jacobi–Einstein 315:Einstein field equations 138:Mathematical formulation 5731:Wheeler, John Archibald 5487:{\displaystyle K\geq 0} 5461:{\displaystyle C\geq 0} 2173:{\displaystyle K=L^{2}} 1135:{\displaystyle E=p_{t}} 5600: 5566: 5565:{\displaystyle K>0} 5540: 5520:are radial orbits and 5514: 5488: 5462: 5436: 5407: 5255: 5241:are not, nevertheless 5235: 5208: 5181: 5141: 5121: 5089: 5058: 4727: 4616: 4531: 4220: 4191: 4162: 4112: 3989: 3963: 3910: 3863: 3640: 3611: 3562: 3464: 3383: 3298: 3258: 3192: 3117: 3097: 3070: 3038: 2930: 2883: 2755: 2632: 2532: 2505: 2478: 2444: 2339: 2315: 2256: 2236: 2194: 2174: 2141: 2090: 2060: 2040: 2017: 1953: 1933: 1910: 1883: 1882:{\displaystyle L_{xy}} 1853: 1833: 1613: 1559: 1525: 1482: 1429: 1372: 1349: 1280: 1253: 1233: 1176: 1136: 1103: 1072: 920:Hamilton–Jacobi theory 896: 842: 812: 205:Gravitational redshift 98: 5601: 5567: 5541: 5515: 5489: 5463: 5437: 5408: 5256: 5236: 5234:{\displaystyle L^{2}} 5209: 5182: 5142: 5127:are conserved, hence 5122: 5090: 5088:{\displaystyle L^{2}} 5059: 4728: 4617: 4532: 4221: 4192: 4163: 4113: 3990: 3964: 3911: 3864: 3641: 3612: 3563: 3465: 3384: 3299: 3266:spherical coordinates 3259: 3193: 3118: 3098: 3096:{\displaystyle L_{z}} 3071: 3039: 2931: 2884: 2756: 2633: 2533: 2506: 2479: 2445: 2340: 2316: 2257: 2237: 2195: 2175: 2142: 2091: 2061: 2041: 2018: 1954: 1934: 1911: 1889:which coincides with 1884: 1854: 1834: 1614: 1560: 1526: 1483: 1430: 1373: 1371:{\displaystyle \tau } 1350: 1281: 1254: 1234: 1177: 1137: 1104: 1073: 897: 843: 813: 811:{\displaystyle p_{t}} 783:theoretical physicist 493:Weyl−Lewis−Papapetrou 448:Kerr–Newman–de Sitter 268:Einstein–Rosen bridge 200:Gravitational lensing 156:Equivalence principle 99: 5576: 5550: 5524: 5498: 5472: 5446: 5420: 5271: 5245: 5218: 5191: 5151: 5131: 5099: 5072: 4740: 4626: 4545: 4233: 4201: 4172: 4125: 4002: 3977: 3920: 3877: 3653: 3621: 3572: 3474: 3393: 3308: 3272: 3212: 3130: 3107: 3080: 3060: 3054:Schwarzschild metric 2943: 2897: 2771: 2643: 2545: 2515: 2488: 2458: 2360: 2329: 2269: 2246: 2226: 2221:Killing tensor field 2184: 2151: 2100: 2074: 2050: 2030: 1966: 1943: 1923: 1893: 1863: 1843: 1623: 1573: 1539: 1492: 1439: 1385: 1362: 1302: 1263: 1243: 1186: 1146: 1113: 1086: 929: 855: 825: 795: 772:general relativistic 423:Einstein–Rosen waves 149:Fundamental concepts 38: 5701:1968PhRv..174.1559C 5539:{\displaystyle C=0} 5513:{\displaystyle K=0} 5435:{\displaystyle a=0} 5351: 5116: 5053: 4327: 4286: 3171: 3153: 3048:Schwarzschild limit 2893:The parentheses in 2217:continuous symmetry 2202:Schwarzschild limit 2136: 2089:{\displaystyle a=0} 1598: 952: 377:Kaluza–Klein theory 263:Minkowski spacetime 215:Gravitational waves 5723:Misner, Charles W. 5651:Kerr–Newman metric 5624:Mathematics portal 5596: 5562: 5536: 5510: 5484: 5458: 5432: 5403: 5337: 5251: 5231: 5204: 5177: 5137: 5117: 5102: 5085: 5054: 5039: 4723: 4612: 4527: 4313: 4272: 4216: 4187: 4158: 4108: 3985: 3959: 3906: 3859: 3636: 3617:and similarly for 3607: 3558: 3460: 3379: 3294: 3254: 3188: 3157: 3139: 3113: 3093: 3066: 3034: 2926: 2879: 2751: 2628: 2528: 2501: 2474: 2440: 2335: 2311: 2252: 2232: 2190: 2170: 2137: 2122: 2086: 2056: 2036: 2013: 1949: 1929: 1906: 1879: 1849: 1829: 1609: 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Index

General relativity
Spacetime curvature schematic
Introduction
History
Timeline
Tests
Mathematical formulation
Equivalence principle
Special relativity
World line
Pseudo-Riemannian manifold
Kepler problem
Gravitational lensing
Gravitational redshift
Gravitational time dilation
Gravitational waves
Frame-dragging
Geodetic effect
Event horizon
Singularity
Black hole
Spacetime
Spacetime diagrams
Minkowski spacetime
Einstein–Rosen bridge
Linearized gravity
Einstein field equations
Friedmann
Geodesics
Mathisson–Papapetrou–Dixon

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