[論文レビュー] Charged particle motion and acceleration around Kerr-MOG black hole

Saeed Ullah Khan, Javlon Rayimbaev+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、スカラ-テンソル-ベクトル重力（STVG）および磁場を組み込んだKerr-MOGブラックホール周囲における磁気ペネローズ過程（MPP）を用いた荷電粒子の運動および加速を調査する。STVGパラメータαが円運動軌道を安定化させ、中程度の磁場を有する超大質量ブラックホール付近で陽子が超高エネルギー（最大10²¹ eV）に加速可能であることを示し、Kerr-MOGブラックホールが超高エネルギー宇宙線（UHECR）の実現可能な源である可能性を示している。

ABSTRACT

One of the most important issues in relativistic astrophysics is to explain the origin mechanisms of (ultra)high energy charged particle components of cosmic rays. Black holes (BHs) being huge reservoirs of (gravitational) energy can be candidates for such particle sources. The main idea of this work is to study the effects of scalar-tensor-vector gravity (STVG) on particle acceleration by examining charged particle dynamics and their acceleration through the magnetic Penrose process (MPP) near magnetized Kerr-MOG BHs. First, we study the horizon structure of the BH. Also, we study the effective potential to gain insight into the stability of circular orbits. Our results show that the magnetic field can extend the region of stable circular orbits, whereas the STVG parameter reduces the {instability} of the circular orbit. The motion of charged particles around the magnetized BH reveals various feasible regimes of the ionized Keplerian disk behavior. Thus, from the examination of particle trajectories we observe that at fixed values of other parameters, the Schwarzschild BH captures the test particle; in the case of Kerr BH, the test particle escapes to infinity or is captured by the BH, while in Kerr-MOG BH, the test particle is trapped in some region around BH and starts orbiting it. On investigating the MPP, we found that with increasing magnetic field, the behavior of orbits becomes more chaotic. As a result, the particle escapes to infinity more quickly.

研究の動機と目的

• スカラ-テンソル-ベクトル重力（STVG）がKerr-MOGブラックホール周囲の幾何学的構造および粒子力学に与える影響を調査すること。
• 磁場およびSTVGパラメータαが円運動軌道の安定性および粒子軌道に与える影響を分析すること。
• 磁気ペネローズ過程（MPP）が荷電粒子を超高エネルギーに加速する効率を評価すること。
• 超大質量Kerr-MOGブラックホールが超高エネルギー宇宙線（UHECR）の源として天体物理学的に現実的かどうかを評価すること。

提案手法

• スカラ-テンソル-ベクトル重力（STVG）の枠組み内でSTVGパラメータαを組み込んだKerr-MOGブラックホール解を導出する。
• イベントホライズン構造および有効ポテンシャルを分析し、αおよびスピンパラメータaの変動に伴う軌道安定性を評価する。
• 等方的磁場を伴うKerr-MOG時空における測地線方程式を用いて、赤道面内での荷電粒子運動をモデル化する。
• イオン化されたケプラー円盤の条件を考慮し、磁気ペネローズ過程（MPP）を適用して粒子エネルギー抽出効率を計算する。
• 粒子軌道の数値積分を用いて、動的状態を分類：安定な振動運動、カオス的トロイダル状態、脱出／落下行動。
• 実際の磁場強度を想定した既知の超大質量ブラックホール（例：Sgr A*, M87*）に対して、達成可能な最大粒子エネルギーを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STVGパラメータαは、Kerr-MOGブラックホール周囲の円運動軌道の安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 一様な磁場は、磁化されたKerr-MOGブラックホール周囲の荷電粒子の有効ポテンシャルおよび軌道力学にどのような影響を与えるか？
• RQ3 Kerr-MOG時空における磁気ペネローズ過程（MPP）は、10²⁰ eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）を生成可能か？
• RQ4 同一の初期条件のもとで、シュバルツシルト、カー、およびKerr-MOGブラックホールにおける粒子軌道はどのように異なるか？
• RQ5 MPPを用いてUHECRエネルギーを達成するには、どの程度の磁場強度およびブラックホール質量を要するか？

主な発見

• STVGパラメータαは、ブラックホールホライズン付近の円運動軌道の不安定性を低減させ、標準的なカー黑洞と比較して軌道安定性を向上させる。
• 一様な磁場は安定な円運動軌道の領域を拡大し、赤道面内での荷電粒子軌道の安定化に寄与する。
• Kerr-MOGブラックホールにおける荷電粒子は、シュバルツシルトやカーの場合と異なり、主にブラックホール周囲の束縛的トロイダル領域に捕らわれている。
• 磁気ペネローズ過程（MPP）はKerr-MOGフレームワークで10¹⁰を超えるエネルギー増幅係数を達成し、B = 10⁴ Gの磁場を有する10¹⁰ M☉ブラックホール付近で陽子を10²¹ eVまで加速可能である。
• M87*（7×10⁹ M☉）では100 Gの磁場で10¹⁹ eVのUHECRエネルギーが達成可能であり、Sgr A*（4×10⁶ M☉）ではB = 10 Gで10¹⁵.⁶ eVまでの粒子が生成可能である。
• 相対論的電子は急速なシンチロトロン放射損失のため生存しにくく、このモデルでは重い原子核が観測されるUHECRのより妥当な候補である。