[論文レビュー] Electric charge of black holes: Is it really always negligible?

Michal Zajaček, Arman Tursunov|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、天体物理学的モデルにおいてブラックホールの電気的電荷が無視可能であるという広く普及した仮定に挑戦する。わずかな電荷でさえ、例えば銀河中心のブラックホールで10⁸ C程度の規模であれば、荷電粒子（例：宇宙線）に重力よりも最大16倍強い電磁力が働くことが示され、粒子の運動ダイナミクスやISCO（安定円軌道の内側境界）の位置を顕著に変化させる。この結果、電荷は高エネルギー天体物理学およびマルチメッセージャー天文学において無視できない要因となる。

ABSTRACT

We discuss the problem of the third black hole parameter, an electric charge. While the mass and the spin of black holes are frequently considered in the majority of publications, the charge is often neglected and implicitly set identically to zero. However, both classical and relativistic processes can lead to a small non-zero charge of black holes. When dealing with neutral particles and photons, zero charge is a good approximation. On the other hand, even a small charge can significantly influence the motion of charged particles, in particular cosmic rays, in the vicinity of black holes. Therefore, we stress that more attention should be paid to the problem of a black-hole charge and hence, it should not be neglected a priori, as it is done in most astrophysical studies nowadays. The paper looks at the problem of the black-hole charge mainly from the astrophysical point of view, which is complemented by a few historical as well as philosophical notes when relevant. In particular, we show that a cosmic ray or in general elementary charged particles passing a non-neutral black hole can experience an electromagnetic force as much as sixteen times the gravitational force for the mass of the Galactic centre black hole and its charge being seventeen orders of magnitude less than the extremal value (calculated for a proton). Furthermore, a Kerr-Newman rotating black hole with the maximum likely charge of 1 Coulomb per solar mass can have the position of its innermost stable circular orbit (ISCO) moved by both rotation and charge in ways that can enhance or partly cancel each other, putting the ISCO not far from the gravitational radius or out at more than 6 gravitational radii. An interpretation of X-ray radiation from near the ISCO of a black hole in X-ray binaries is then no longer unique.

研究の動機と目的

• ブラックホールの電気的電荷が無視可能であり、ゼロとみなせるという一般的な天体物理学的仮定に挑戦すること。
• ブラックホールが非ゼロの電荷を獲得する物理的メカニズム、特に熱平衡およびウォルドの誘導メカニズムを調査すること。
• 非ゼロのブラックホール電荷が荷電粒子（特に宇宙線）の運動に与える観測可能な影響を評価すること。
• ブラックホール電荷が内側安定円軌道（ISCO）の位置に与える影響を検討し、X線放射の解釈を複雑にする要因となること。
• モデリングにおけるブラックホール降着およびエネルギー抽出プロセスにおいて、電荷を非自明なパラメータとして扱うべきであると主張すること。

提案手法

• 保存的重力場および電場の中でのマクスウェル＝ボルツマン分布を用いて、巨視的物体の平衡電荷対質量比を分析し、Qeq/M• ≈ 76.9 C/M⊙ を導出する。
• ウォルドの1974年のメカニズムを応用し、外部磁場に埋め込まれた回転ブラックホールにおける誘導電荷をモデル化し、Q• = 2a•M•Bext を得る。
• 荷電回転ブラックホールの時空を記述するキヤー＝ニューマン計量を用い、荷電テスト粒子のISCOを計算する。
• ブラックホール周辺の陽子および電子に作用する静電力と重力の比を比較し、Q• ≈ 10⁸ C および M• ≈ 4×10⁶ M⊙ の場合に Felstat/Fgrav ≈ 16 であることを示す。
• 図1に示すように、電子および陽子のISCO位置をブラックホール電荷の関数としてマップ化し、最大で9重力半径のシフトを示す。
• スピン、電荷、磁場の間のデゲネラシーを評価し、X線光曲線の解釈に一意性が欠けることを見出す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱力学的または相対論的メカニズムを通じて、ブラックホールが非ゼロの電気的電荷を獲得できるか？
• RQ2 わずかに非ゼロの電荷を持つ場合、ブラックホール周辺の荷電粒子（例：陽子）に作用する電磁力は重力に比べてどの程度強いのか？
• RQ3 電荷がブラックホールスピンのISCO位置への影響をどれほど模倣または変更できるか？
• RQ4 X線連星系や銀河中心で観測されたISCOは、スピンに起因すると一意に帰属できるのか、それとも電荷や磁場が関係している可能性があるか？
• RQ5 非ゼロのブラックホール電荷が、超高エネルギー宇宙線の起源にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 4×10⁶ M⊙ のブラックホールに 10⁸ C の電荷がある場合、その周辺の陽子に作用する静電力は重力よりも16倍大きい。
• 3.3×10⁵ C の電荷を持つブラックホールは、電子のISCOを9重力半径までシフトさせ、後退スピンを模倣する。
• 陽子に関しては、-6.0×10⁸ C の負の電荷、または +5.07×10⁹ C の正の電荷が、同様にISCOを9rgまで押し出すことができる。
• 核周囲の磁場が存在する場合、ISCOをシフトさせることができ、電荷およびスピンと解釈のデゲネラシーを引き起こす。
• 非回転ブラックホールのISCOは、わずかな電荷のみで6rgから9rgまでシフトする可能性がある。
• 回転エネルギーを電磁場を通じて抽出するブランドフォード＝ツナジェク機構は、ブラックホールの電荷に依存しており、ジェット形成には電荷が不可欠である。