[論文レビュー] Do we expect to detect electromagnetic radiation from merging stellar mass black binaries like GW150914? No

Shuang‐Nan Zhang, Yuan Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、GW150914のような恒星質量のブラックホールが合体する際に電磁放射線が検出可能かどうかを調査する。時間に依存する計量を用い、降下する物質の影響を考慮することで、合体過程では顕著な電磁放射線は発生しないことが結論づけられ、標準的な条件下では電磁対応物は検出不可能である。ただし、合体前にブラックホールが密度の高い媒体に埋め込まれている場合には、検出可能な電磁放射線が発生する可能性がある。

ABSTRACT

Context: The LIGO consortium announced the first direct detection of gravitation wave event GW150914 from two merging black holes; however the nature of the black holes are still not clear. Aims: We study whether electromagnetic radiation can be detected from merging stellar mass black binaries like GW150914. Methods: We briefly investigate the possible growth and merging processes of the two stellar mass black holes in the merging event of GW150914 detected by aLIGO, as clocked by a distant external observer. Our main results are: (1) The description of the black hole growth using stationary metric of a pre-existing black hole predicts strong electromagnetic radiation from merging black holes, which is inconsistent with GW150914; (2) Only gravitational wave radiation can be produced in the coalescence of two black holes such as that in the GW150914 event, if the black hole growth is described using time-dependent metric considering the influence of the in-falling matter onto a pre-existing black hole, as clocked by a distant external observer. Conclusions: Future high sensitivity detections of gravitational waves from merging black holes might be used to probe matter distribution and space-time geometry in the vicinity of the horizon. Perhaps the GW150914-like events can be identified with traditional astronomy observations only if the black holes are embedded in extremely dense medium before their final merge, when very strong electromagnetic radiation is produced and can escape from the system.

研究の動機と目的

• GW150914 イベントから推定される二つの恒星質量ブラックホールの合体において、電磁放射線が生成されるかどうかを評価すること。
• 静的計量モデル（事象の地平線の外側に凍結した物質から電磁放射線を予測）と観測されたGW150914 イベントとの間に生じる不一致を検討すること。
• 遠方の外部観測者から見た場合に、時間に依存する時空計量がブラックホールの成長および合体ダイナミクスをモデル化する上で果たす役割を評価すること。
• 合体前に密度の高い周囲媒体が存在するような状況下で、電磁対応物が検出可能になる条件を探索すること。
• 高感度の重力波検出が、ブラックホールの事象の地平線付近の時空幾何学および物質分布を調べる可能性を示唆すること。

提案手法

• 無限大の座標時間遅延により、物質が事象の地平線のすぐ外にたまることを仮定する静的シュバルツシルト計量を用いてブラックホールの成長を分析すること。
• 遠方の外部観測者から見た場合に、降下する物質が時空幾何に与える影響を組み込んだ時間に依存する計量を適用すること。
• GW150914 の二重ブラックホール系の合体時定数に対して、降下する物質の降着時定数をモデル化すること。
• 静的モデルにおける蓄積物質からの電磁放射の予測と、X線・可視光・紫外線の後続観測による観測限界を比較すること。
• 潮汐相互作用およびホライズンのないコンパクト物体（例：重力星）における可能性のある共鳴的重力波放出が波形に与える影響を評価すること。
• ブラックホールが合体前に極めて密度の高い媒体に埋め込まれている場合に限り、電磁対応物が検出可能になる可能性を提唱すること。この場合、合体が加速され、観測可能な放射が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的ブラックホール計量を仮定した場合、GW150914 に類似した二つの恒星質量ブラックホールの合体過程で電磁放射線が生成可能かどうか。
• RQ2 降下する物質を考慮する時間に依存する時空計量の導入が、合体するブラックホールからの予想される電磁放射線にどのように影響を与えるか。
• RQ3 GW150914 の後続観測で電磁対応物が観測されなかったことと、時間に依存する計量モデルは整合しているが、静的計量モデルとは整合しないのはなぜか。
• RQ4 どのような天文学的条件下で、合体するブラックホールからの電磁放射線が検出可能になるか。
• RQ5 将来の高感度重力波検出が、波形の歪みを用いて標準的ブラックホールとホライズンのないコンパクト物体を区別できるか。

主な発見

• 静的計量モデルは、合体するブラックホールの事象の地平線のすぐ外に凍結した物質から強い電磁放射線を予測するが、これはGW150914に観測された電磁対応物の不在と矛盾する。
• 降下する物質を考慮する時間に依存する計量を用いることで、遠方の観測者から測定した時間で、すべての物質が有限時間内に事象の地平線を通過することが保証され、持続的な電磁放射線の発生は防止される。
• 降下物質の降着時定数は、二重ブラックホール系の合体時定数よりもはるかに短く、物質が合体前に完全に組み込まれるため、長期間にわたる電磁放射線は発生しない。
• 約20太陽質量の物質が降着され、~10^55 erg/s の放射度が発生すれば、過去のガンマ線バースト観測機器では容易に検出可能であるが、実際にはそのような信号は観測されず、標準的条件下では顕著な電磁放射線は発生しないとされる。
• ブラックホールが合体前に極めて密度の高い媒体に埋め込まれている場合に限り、強い電磁放射線が逃げ出し、検出可能になる可能性がある。ただし、この場合、エネルギー損失が増加するため重力波信号が変化する。
• 将来の高感度重力波検出は、ブラックホールの事象の地平線付近の物質分布および時空幾何学を調べる可能性を秘めており、真のブラックホールと代替のコンパクト物体を区別する手がかりを提供する可能性がある。