[論文レビュー] Gravitational effect of a plasma on the shadow of Schwarzschild black holes

Qiang Li, Zhu, Yanni+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 32被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、プラズマ密度プロファイル ∝ r⁻³ᐟ² の玩具モデルを用いて、シュバルツシルトブラックホールの影に及ぼすプラズマの重力的および屈折的効果を調査している。実際のAGNパラメータでは両効果とも無視できるが、非常に質量の大きなブラックホール（>10⁹ M☉）では、プラズマの重力的影響が屈折的効果を上回る可能性があり、天体物理学的重力において電磁的力が無視できるという従来の仮定に疑問を呈している。

ABSTRACT

Considering a Schwarzschild black hole surrounded by a fully ionized hydrogen plasma, we study the refractive effect and the pure gravitational effect of the plasma on the shadow. The effects are treated in a unified formalism but characterized by two independent parameters. For semi-realistic values of parameters, we find their corrections to the shadow radius are both negligible, and the gravitational correction can overtake the refractive correction for active galactic nuclei of masses larger than $10^9M_{\odot}$. Since the refractive effect is induced by the electromagnetic interaction, this result is in sharp contrast to the textbook knowledge that the ratio of the gravitational force to the electromagnetic force is $Gm_em_p/e^2=4.4 imes10^{-40}$ in a hydrogen atom. With unrealistically large values of parameters, we illustrate the two effects on the light trajectories and the intensity map.

研究の動機と目的

• 標準的な屈折効果を超えて、プラズマの重力的影響がシュバルツシルトブラックホールの影に与える影響を評価すること。
• 影の半径および光線軌道に及ぼす重力的効果と屈折的効果の相対的な大きさを比較すること。
• 高質量活発銀河核（AGNs）において、プラズマの自己重力が無視できなくなるかどうかを評価すること。
• 2つのシナリオをモデル化すること：(1) プラズマが事象の地平線まで延びる場合、(2) 内部安定円軌道（ISCO）で打ち切られる場合。
• 影の半径補正の解析的推定値を提示し、極端なパrameter値下での強度マップをシミュレートすること。

提案手法

• プラズマの重力ポテンシャルを時空計量に組み込むために、Perlick (2015) の形式的枠組みを適応した。
• 事象の地平線外部で球対称なプラズマを仮定し、密度プロファイル ρ(r) ∝ r⁻³ᐟ² を採用。r = 2M もしくは r = 3M でカットオフ。
• 屈折的および重力的効果を組み込んだ有効ポテンシャル h(r)² = D(r)/A(r) [1 - A(r)ωₚ²/ω₀²] を用いて、修正された光の球面および影の半径を導出。
• 修正された時空における光線のヌル測地線方程式を数値的に解き、u = 1/r および dϕ/du を用いて軌道を追跡。
• ヘヴィサイドのステップ関数を用いて r > 3r_g の領域でのみ放射が発生するようにモデル化し、観測強度マップをレイトレーシングで計算。
• 2つのモデルの結果を比較：(A) プラズマが地平線まで延びる場合；(B) プラズマがISCOで打ち切られる場合で、放射は3r_gより外側でのみ発生。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマの自己重力は、その屈折的効果と比較して、シュバルツシルトブラックホールの影の半径にどのように影響を与えるか？
• RQ2 どのブラックホール質量において、影の半径に対する重力的補正が屈折的補正を上回るか？
• RQ3 時空計量にプラズマの重力を組み込むと、光線軌道および強度マップはどのように変化するか？
• RQ4 ISCOでプラズマが打ち切られることで、影の形成および観測輝度にどのような影響が生じるか？
• RQ5 現実的な条件下ではわずかであるが、高質量AGNにおいてプラズマの重力的効果が検出可能になる可能性はあるか？

主な発見

• 半現実的AGNパラメータでは、影の半径に対する重力的補正は 10⁻⁸ から 10⁻⁶ の範囲にあり、屈折的補正は 10⁻⁴ から 10⁻¹⁰ の範囲にわたる。
• AGNの質量が約 10⁹ M☉ を超えると、重力的補正が屈折的補正を上回るようになる。
• モデルB（プラズマがISCOで打ち切られる場合）では、光の球面が全輝度に寄与することはほとんどなく、影は主に降着円盤の内縁によって決定される。
• 誇張されたパラメータを用いた数値シミュレーションでは、屈折的効果がISCO付近での光の屈曲を弱めることが判明し、軌道挙動が変化した。
• モデルBの強度マップでは、放射が r > 3r_g に限定されており、この場合影は光の球面によって定義されない。
• 結果から、高質量AGNではプラズマの重力的影響は小さくとも、非無視可能となり得るため、今後の高精度な影モデリングにおいて考慮すべきであると示唆される。