[論文レビュー] Constraint on parameters of a rotating black hole in Einstein-bumblebee theory by quasi-periodic oscillations

Zejun Wang, Songbai Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、相対論的予進モデルを用いて、GRO J1655-40、XTE J1550-564、GRS 1915+105の3つのブラックホール連星からの準周期的揺動（QPO）を用いて、アインシュタイン・バムビー・重力におけるローレンツ対称性の破れパラメータ $ l $ を制限した。QPOデータからGRO J1655-40が最もきつい制限を与えることが判明し、最良適合値は $ l = -0.1048 $ であった。これは、ケルブラックホールと比較して、より高いハーキング温度と弱いペンローズエネルギー抽出を示唆するが、一般相対性理論（$ l = 0 $）は $ 1\sigma $ の不確実性内に一致している。

ABSTRACT

We have studied quasi-periodic oscillations frequencies in a rotating black hole with Lorentz symmetry breaking parameter in Einstein-bumblebee gravity by relativistic precession model. We find that in the rotating case with non-zero spin parameter both of the periastron and nodal precession frequencies increase with the Lorentz symmetry breaking parameter, but the azimuthal frequency decreases. In the non-rotating black hole case, the nodal precession frequency disappears for arbitrary Lorentz symmetry breaking parameter. With the observation data of GRO J1655-40, XTE J1550-564, and GRS 1915+105, we find that the constraint on the Lorentz symmetry breaking parameter is more precise with data of GRO J1655-40 in which the best-fit value of the Lorentz symmetry breaking parameter is negative. This could lead to that the rotating black hole in Einstein-bumblebee gravity owns the higher Hawking temperature and the stronger Hawking radiation, but the lower possibility of exacting energy by Penrose process. However, in the range of $1 σ$, we also find that general relativity remains to be consistent with the observation data of GRO J1655-40, XTE J1550-564 and GRS 1915+105.

研究の動機と目的

• 星質量ブラックホール連星からの観測された準周期的揺動（QPO）を用いて、アインシュタイン・バムビー重力におけるローレンツ対称性の破れパラメータ $ l $ を制限すること。
• この修正重力理論における回転ブラックホール周囲の基本周波数（方位角、近日点、節線予進）にローレンツ破れが与える影響を調査すること。
• 一般相対性理論（$ l = 0 $）が不確実性内に収まるかどうかを含め、アインシュタイン・バムビー重力が観測データと整合するかを評価すること。
• 負の $ l $ の天体物理学的意味を評価すること、特にハーキング放射とペンローズ過程の効率への影響。

提案手法

• テスト粒子の回転ブラックホールにおける等方面の軌道周波数と観測されたQPO周波数（方位角、近日点、節線）を関連付ける相対論的予進モデルを採用する。
• ボムビー場の自発的ローレンツ対称性の破れに起因する、質量 $ M $、スピン $ a $、ローレンツ破れパラメータ $ l $ をパラメータとする、アインシュタイン・バムビー重力における正確な回転ブラックホール解を用いる。
• 有効ポテンシャルと円軌道条件を導出し、$ M $、$ a $、$ l $ の関数として、3つの基本周波数 $ \nu_\phi $、$ \nu_{\text{per}} $、$ \nu_{\text{nod}} $ を計算する。
• GRO J1655-40、XTE J1550-564、GRS 1915+105のQPO周波数データを用いて、$ M $、$ a $、$ l $ のベイズ的パラメータ推定を実施し、制限を求める。
• 3つの源における $ l $ の $ 1\sigma $ 確信領域を比較し、制限の精度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アインシュタイン・バムビー重力におけるローレンツ対称性の破れパラメータ $ l $ は、回転ブラックホール周囲のテスト粒子の基本予進周波数にどのように影響を与えるか？
• RQ2 どのブラックホール連星系が $ l $ に対して最もきつい観測的制限を与えるか、そしてその理由は何か？
• RQ3 負の $ l $ の天体物理学的結果は何か、特にハーキング放射とペンローズ過程によるエネルギー抽出効率にどのような影響を与えるか？
• RQ4 GRO J1655-40、XTE J1550-564、GRS 1915+105からの観測されたQPO周波数と一般相対性理論（$ l = 0 $）は $ 1\sigma $ 不確実性内に一致するか？

主な発見

• GRO J1655-40のデータを用いた結果、ローレンツ対称性の破れパラメータ $ l $ が最も正確に制限され、最良適合値は $ l = -0.1048 $ であった。
• $ a \neq 0 $ の場合、近日点および節線予進周波数は $ l $ が増加するにつれて増加するが、方位角周波数は減少する。
• 非回転状態では、$ l $ に関わらずノード予進周波数はゼロとなり、$ \nu_\theta = \nu_\phi $ となる。
• 負の $ l $ は、外側のエゴスフィアとイベントホライズン半径が大きくなるが、エゴレジオン幅は小さくなり、ペンローズ過程によるエネルギー抽出の効率が低下することを示唆する。
• 負の $ l $ は、ケルブラックホールと比較して、より高いハーキング温度と強化されたハーキング放射を示唆する。
• 一般相対性理論（$ l = 0 $）は、3つの源すべてにおいて $ 1\sigma $ 確信領域内にあり、現在のQPO観測と整合的である。