[論文レビュー] Horizon-scale tests of gravity theories and fundamental physics from the Event Horizon Telescope image of Sagittarius A$^*$

Sunny Vagnozzi, Rittick Roy+13 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、Sgr A* のEHT画像を用いて、観測されたリング/シャドウのサイズを理論予測と比較することで、さまざまな重力理論と基礎物理学のシナリオを制約し、質量対距離比とリングとシャドウのサイズの較正を活用する。

ABSTRACT

Horizon-scale images of black holes (BHs) and their shadows have opened an unprecedented window onto tests of gravity and fundamental physics in the strong-field regime. We consider a wide range of well-motivated deviations from classical General Relativity (GR) BH solutions, and constrain them using the Event Horizon Telescope (EHT) observations of Sagittarius A$^*$ (Sgr A$^*$), connecting the size of the bright ring of emission to that of the underlying BH shadow and exploiting high-precision measurements of Sgr A$^*$'s mass-to-distance ratio. The scenarios we consider, and whose fundamental parameters we constrain, include various regular BHs, string-inspired space-times, violations of the no-hair theorem driven by additional fields, alternative theories of gravity, novel fundamental physics frameworks, and BH mimickers including well-motivated wormhole and naked singularity space-times. We demonstrate that the EHT image of Sgr A$^*$ places particularly stringent constraints on models predicting a shadow size larger than that of a Schwarzschild BH of a given mass, with the resulting limits in some cases surpassing cosmological ones. Our results are among the first tests of fundamental physics from the shadow of Sgr A$^*$ and, while the latter appears to be in excellent agreement with the predictions of GR, we have shown that a number of well motivated alternative scenarios, including BH mimickers, are far from being ruled out at present.

研究の動機と目的

• 天体の Sgr A* の EHT 画像が、さまざまな重力理論や BH 蜂としての類似体を横断して、一般相対論からの逸脱をどのように制約するかを評価する。
• さまざまな時空計量に対して、観測された明るいリングの角サイズを理論的ブラックホールシャドウの大きさと結びつける。
• Sgr A* の質量対距離比を用いて、曲率-ポテンシャルやその他の基礎物理学パラメータの境界を定量化する。
• 強場重力検証において、Sgr A* と M87* が探る領域の違いを検討する。

提案手法

• Sgr A* の EHT画像における明るいリングの角半径と、さまざまな時空計量で計算されたシャドウ半径を比較する。
• KeckとVLTIの測定から得られた Sgr A* の質量対距離比を用いてシャドウサイズの予測を較正する。
• 推定されたシャドウ半径と Schwarzschild シャドウ半径との分数偏差 delta を定義・使用する：delta = r_sh/(3√3 M) − 1。
• シャドウサイズに関する自転由来の縮退を回避するため、解析を静的球対称計量に限定する。
• リングとシャドウサイズの対応付けの較正係数を採用し、質量・距離・放射モデリングに起因する不確実性を伝搬させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sgr A* のシャドウサイズを考慮して、非シュワルツシルト空間時空およびBH偽者に対する制約は何か。
• RQ2 与えられた質量で、シュワルツシルトより大きいシャドウ半径を持つモデルをSgr A*のシャドウサイズがどのように制限するか。
• RQ3 Sgr A* の測定値は、強場重力領域を探る際に M87* とどのように比較されるか。
• RQ4 質量対距離の較正と放射物理が、代替重力理論の境界に与える影響は何か。

主な発見

• EHTデータはシュワルツシルト値3√3Mより大きいシャドウを予測するモデルを制約し、いくつかの境界は宇宙論的なものを上回る。
• KeckおよびVLTIからの平均δは、シュワルツシルトよりわずかに小さいシャドウを若干好むことを示しており、1σ–2σの範囲内である。
• シャドウサイズの境界を r_sh/M の1σ区間: 4.55〜5.22、2σ区間: 4.21〜5.56 に変換。
• 結果はSgr A*の良く測定された質量対距離比に依存しており、特定の重力理論に依存しない頑健な検証を可能にする。
• この方法論は球対稱計量に対して頑健であり、Sgr A*のシャドウを用いた複数の重力シナリオの第一原理テストを提供する。
• 解析はSgr A*がM87*とは異なる曲率領域を探ることを強調しており、補完的な強場検証を可能にする。