[論文レビュー] A novel shadow from the thin-shell wormhole

Xiaobao Wang, Peng-Cheng Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、光子球ではなく、喉を通じて接続された二つの側面間の時空非対称性に起因する、薄いシェルのウォームホールに新たな種類の影が生じることを提案する。ブラックホールの影とは異なり、ウォームホールの影は一貫して小さく、将来的な高分解能望遠鏡（例：イベントホライズン望遠鏡）で検出可能な明確な観測的特徴を示す。

ABSTRACT

For dark compact object such as black hole or wormhole, a shadow has long been thought to come from the outermost unstable photon sphere (region). However, by considering the thin-shell wormhole model, we identify a novel shadow which originates from spacetime asymmetry of both sides connected by the throat other than the photon sphere in the observer's spacetime. The novel shadows appear in three cases: (A2) The observer's spacetime contains a photon sphere and the mass parameter is smaller than that of the opposite side; (B1, B2) there' s no photon sphere no matter which mass parameter is bigger. In particular, comparing with black hole, the wormhole shadow size is always smaller and their difference is significant in most cases, which provides a potential way to observe wormholes directly through Event Horizon Telescope with better detection capability in the future.

研究の動機と目的

• 光子球ではなく時空非対称性に起因するため、ウォームホールがブラックホールとは異なる影を生成できるかどうかを調査すること。
• 薄いシェルのウォームホールモデルにおいて、新たな影が生じる条件を特定すること。
• ウォームホールとブラックホールの影のサイズを比較し、観測的に区別可能かどうかを評価すること。
• 将来的な高分解能機器（例：イベントホライズン望遠鏡）を用いたウォームホールの直接検出の可能性を検討すること。

提案手法

• 喉を通じて異なる質量パラメータを持つ二つの時空を接合する薄いシェルのウォームホールをモデル化すること。
• 光線の軌道を特定するために、null geodesics（null軌道）を分析し、非対称な時空配置における光子の軌道と影の境界を同定すること。
• 光子球の存在に依存しない影形成メカニズムを同定すること。
• 幾何光学およびnull軌道解析を用いて、観測者側および反対側の時空領域における影の境界を計算すること。
• 光子球の有無と質量パラメータの非対称性に基づいて、影のタイプを三つのケースに分類すること。
• さまざまな質量非対称性の下で、ウォームホールとブラックホールの影のサイズを定量的に比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子球が存在しない状況でも、時空非対称性に起因して薄いシェルのウォームホールに影が形成可能か？
• RQ2 同じ観測条件下で、ウォームホールの影のサイズはブラックホールのそれと比べてどうなるか？
• RQ3 どのような特徴的な物理的条件の下で、ウォームホール時空に新たな影が生じるか？
• RQ4 光子球が存在しない場合でも、ウォームホールモデルにおいて影が検出可能になるか？
• RQ5 将来的な望遠鏡ミッションにおいて、ウォームホールの影はブラックホールの影に比べてどのような観測的利点を提供するか？

主な発見

• 光子球が存在しない状況でも、二つの側面間の時空非対称性に起因して、薄いシェルのウォームホールに新たな影が形成される。
• 三つの異なる影のケースが同定された：(A2) 光子球が存在するが、観測者側の質量が小さい場合；(B1, B2) 光子球が存在しない（質量パラメータの順序に関わらず）。
• 同じ質量パラメータを持つブラックホールと比較して、ウォームホールの影のサイズは常に小さい。
• ほとんどの設定において、ウォームホールとブラックホールの影のサイズの差は顕著であり、検出可能性が向上する。
• 光子球が存在しない場合でも影の形成は可能であり、従来の「光子球が影の形成に不可欠である」という見解に挑戦する。
• 本研究の結果から、将来的な高分解能観測（例：イベントホライズン望遠鏡）により、ウォームホールの影とブラックホールの影を区別できる可能性がある。