[論文レビュー] Electromagnetic counterparts to gravitational waves from black hole mergers and naked singularities

Daniele Malafarina, Pankaj S. Joshi|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、二重ブラックホール合体時に時空のトポロジー変化が生じることで形成される一時的な裸の特異点が、LIGOの重力波信号GW150914の電磁気的対応体を引き起こす可能性があると提唱する。一時的な裸の特異点が存在すれば、標準的なブラックホール合体とは異なり、はるかに効率の高い降着円盤の放射率—エディントン限界を超える—が可能になる。これは、フェルミが検出したバーストの高輝度を自然に説明するものである。

ABSTRACT

We consider the question here whether the proposed electromagnetic counterpart of the gravitational wave signals in binary black hole coalescence may be due to the appearance of a `short lived' naked singularity during the merger. We point out that the change in topology that the spacetime undergoes during the merger can cause the appearance of a naked singularity. In case some matter, in the form of a small accretion disk, is present in the surroundings of the black hole system then the emitted luminosity during the merger would allow to distinguish the scenario where the naked singularity forms from the scenario where the horizon exists at all times. In fact the emitted luminosity spectrum would be much higher in the case where a naked singularity forms as opposed to the `pure' black hole case. We suggest that the presence of such a transient naked singularity will explain the high luminosity of an electromagnetic counterpart during the merger much more easily.

研究の動機と目的

• GW150914の観測された高輝度電磁気的対応体が、二重ブラックホール合体の過程で形成される一時的な裸の特異点に起因する可能性を調査すること。
• 時空のトポロジー変化がブラックホール合体の過程で裸の特異点を引き起こす役割を検討すること。
• ブラックホールと裸の特異点の両シナリオにおける降着円盤の輝度を比較し、観測的に区別可能かどうかを評価すること。
• 電磁気的バーストの持続時間と輝度が、一時的特異点の寿命と性質を制約する可能性を検討すること。
• このような事象が、特異点付近の量子重力効果を観測的に探る手段としての可能性を評価すること。

提案手法

• GerochとTiplerの定理に従い、時空のトポロジー変化が特異点を伴うことを示唆する理論的枠組みを分析し、トポロジー変化と特異点の関係を検討する。
• 宇宙の監視仮説とJoshiの結果（トポロジー変化は裸の特異点を意味する）を適用し、合体過程で一時的な特異点が形成されるとの主張を展開する。
• 標準的なエディントン限界と相対論的降着形式を用いて降着円盤の輝度をモデル化し、特に中心天体の性質に依存する内側安定円軌道（ISCO）に注目する。
• 裸の特異点シナリオにおける輝度スペクトルを評価し、イベントホライズンが存在しないことで、著しく高い放射効率が可能になることを示す。
• 観測された輝度（約10^49 erg/s）を達成するための降着率を推定し、ブラックホールの期待値と比較する。
• バースト持続時間とホライズン形成の特徴的時定数および角運動量の散逸時間スケールを関連付け、量子重力スケールに結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール合体の過程でトポロジー変化が一時的な裸の特異点の形成を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 ブラックホールと裸の特異点の両シナリオにおける降着円盤の輝度はどのように異なるか？
• RQ3 GW150914に関連するフェルミのガンマ線バーストの高輝度は、ブラックホールではなく一時的な裸の特異点によって説明可能か？
• RQ4 裸の特異点が観測された電磁気的バーストの輝度を発生させるために必要な降着率はどの程度か？
• RQ5 電磁気的バーストの持続時間が、量子重力スケールまたは裸の特異点の寿命を制約する手がかりとなるか？

主な発見

• GerochとTiplerの定理およびJoshiによるトポロジー変化と可視特異点の関連を示す証明に従い、二重ブラックホール合体におけるトポロジー変化は、裸の特異点の形成を示唆する。
• 裸の特異点シナリオではイベントホライズンが存在しないため、降着円盤の輝度が著しく高くなり、ISCO半径がゼロに近づくにつれて輝度スペクトルが発散する。
• 一時的な裸の特異点は、降着率が10^-5 M☉/秒程度でも、約10^49 erg/sの輝度を発生させることができ、ブラックホールが同程度の輝度に達するのに必要な値よりもはるかに小さい。
• 観測されたフェルミバーストの輝度は、60 M☉のブラックホールのエディントン限界を10桁も上回っており、これはブラックホールへの極端な降着よりも、裸の特異点シナリオの方がより妥当であることを示唆する。
• 電磁気的バーストの持続時間は、ホライズン形成と角運動量散逸の特徴的時定数と一致すると予想され、これは量子重力スケールに関連している。
• 輝度とバースト持続時間の観測的比較により、ブラックホール合体と一時的な裸の特異点形成を区別可能であり、量子重力効果の検証に役立つ。