[論文レビュー] Ergoregion instability of black hole mimickers

Paolo Pani, Vítor Cardoso+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ホライズンのないブラックホール・ミマーク（重力星、ボソン星、ワームホール、スーパー スピナール）におけるエゴレギオン不安定性を調査し、これらの物体が急速に回転する場合、エゴレギオンからのエネルギー抽出によって強い短時間スケールの不安定性を示すことを示している。不安定性の時定数は約10⁻⁵秒から数週間の範囲にあり、これにより、このような超密で急速に回転する物体がブラックホールの安定な天体的代替物である可能性は極めて低いと示唆される。

ABSTRACT

Ultra-compact, horizonless objects such as gravastars, boson stars, wormholes and superspinars can mimick most of the properties of black holes. Here we show that these "black hole mimickers" will most likely develop a strong ergoregion instability when rapidly spinning. Instability timescales range between 10^-5 s and 1 weeks depending on the object, its mass and its angular momentum. For a wide range of parameters the instability is truly effective. This provides a strong indication that astrophysical ultra-compact objects with large rotation are black holes.

研究の動機と目的

• 急速に回転する状態におけるホライズンのない超密物体（重力星、ボソン星、ワームホール、スーパー スピナール）の安定性を評価すること。
• エゴレギオン不安定性がブラックホールとブラックホール・ミマークの区別に役立つかどうかを特定すること。
• さまざまなミマークモデルと回転パラメータに対して、スカラーおよび重力波の摂動における不安定性時定数を定量化すること。
• このような不安定性が、急速に回転する超密なコンパクト天体としてのホライズンのない物体の天体的候補としての妥当性を排除するかどうかを評価すること。
• コンパクトネス、角運動量、および内部構造（例：重力星における中間領域の厚さ）が不安定性の発生に与える影響を調査すること。

提案手法

• イベントホライズンを欠くがカー型の回転を模倣する有効な時空幾何学を用いてブラックホール・ミマークをモデル化すること。
• これらの時空のエゴレギオン領域におけるスカラー場および重力場への線形摂動理論の適用。
• 大きな角運動量モード（l = m）に対してWKB近似を用いて不安定性成長率を推定すること。
• さまざまなミラー位置およびコンパクトネスパラメータに対して摂動方程式を数値的に解き、不安定性時定数を計算すること。
• 異なるタイプのミマーク（例：ボソン星対ワームホール）および角運動量領域（a < M および a > M）における不安定性成長率の比較。
• 特に極限カー極限における、質量、コンパクトネス、回転パラメータ a/M に依存する不安定性時定数の依存関係の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急速に回転するホライズンのないブラックホール・ミマークは、エゴレギオンからのエネルギー抽出によってエゴレギオン不安定性を示すか？
• RQ2 スカラー摂動および重力波摂動の不安定性時定数は、さまざまなミマークタイプ（例：ボソン星、ワームホール、スーパー スピナール）においてどのように比較されるか？
• RQ3 これらのミマークにおいて、不安定性成長率は質量、コンパクトネス、角運動量にどのように依存するか？
• RQ4 エゴレギオン不安定性は、ホライズンのない物体が超密で急速に回転するコンパクト天体としての妥当な天体的候補である可能性を排除できるか？
• RQ5 ミラーまたは境界条件の存在が、これらの系におけるエゴレギオン不安定性の発生および強度にどのように影響するか？

主な発見

• 重力波摂動は、τ ~ 2–6M の非常に短い時定数でエゴレギオン不安定性を引き起こし、これはスカラー摂動のそれよりも約5桁短い。
• 1M☉ の物体では不安定性時定数は約0.1秒であるが、10⁶M☉ の超質量天体では約1週間にまで延び、回転およびコンパクトネスが増加するにつれて単調に減少する。
• ワームホールおよびスーパー スピナール（a > M）は極めて強いエゴレギオン不安定性を示し、1M☉ の物体では時定数が約10⁻⁵秒にまで短くなる。
• ボソン星および重力星は広範なパラメータ範囲でスカラー摂動に対して不安定であり、均一密度星のそれよりも著しく短い不安定性時定数を示す。
• 中程度の回転（a/M = 0.6）に対しても不安定性が依然として顕著であるため、これは極限に近い状態に限定されない。
• 重力星におけるエゴレギオンの形成は、角運動量、コンパクトネス、および中間領域の厚さに強く依存しており、現実的なモデルではさらなる研究が求められる。