[論文レビュー] Is the Carter-Israel conjecture correct?

Cosimo Bambi, Katherine Freese+1 more|ArXiv.org|Aug 22, 2009

Nuclear Issues and Defense参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、重力崩壊がカー＝ニューマンブラックホールを生成するというキャーター＝アイザラーコンジェクチャーが正しいかどうかを検証するために、$ a/M > 1 $ であるがホライズンのない超スピン状態のコンパクト物体が形成される可能性を提案している。サブミリ波VLBI観測を用いて、SgrA*の観測から、このような物体はブラックホールの暗いシャドウとは対照的に、近接したプラズマからの直接的放射によって内部に明るいスポットを持つ特徴的なシャドウ像を生成することを示している。これは、将来的な観測によってブラックホールと超スピン状態のコンパクト物体を区別するための検証可能なシグネチャを提供する。

ABSTRACT

According to the Carter-Israel conjecture, the end-state of the gravitational collapse of matter is a Kerr-Newman black hole. Nevertheless, neither the theory nor observations can confirm that. In this talk, we discuss the possibility that the collapsing matter can create a super-spinning compact object with no event horizon, and we show how near future observations at sub-millimeter wavelength of SgrA* can test this scenario for the black hole candidate in the Galactic Center.

研究の動機と目的

• キャーター＝アイザラーコンジェクチャーの妥当性を評価すること。この仮説は、重力崩壊がカー＝ニューマンブラックホールを生じるとするものである。
• 物質の崩壊が、$ a/M > 1 $ でホライズンのない超スピン状態のコンパクト物体を形成する可能性を検討すること。
• 銀河中心部のSgrA*におけるサブミリ波長干渉計測定を用いて、観測的に検証可能なシグネチャを提案すること。
• 降着流の画像に基づいて、ブラックホールモデルとホライズンのない超スピン状態の物体モデルを区別すること。

提案手法

• 境界に束縛された時空的軌道（無限遠で角運動量がゼロ）と $ 1/r^2 $ の発光性を用いて、コンパクト物体周辺の降着流をモデル化する。
• ブラックホール（$ a/M = 0.9999 $）と超スピン状態の物体（$ a/M = 1.0001 $、$ a/M = 2 $）に対して、半径 $ 0.1M $ で完全に吸収する表面を持つ場合のサブミリ波画像をシミュレートする。
• プラズマが500 GHz以上の周波数で光学的薄くなると仮定し、コンパクト物体の「シャドウ」を直接観測可能とする。
• 非常に長い基線干渉計測定（VLBI）を用いて、放射領域の見かけのサイズと構造に顕著な差が生じることを予測する。
• ブラックホール（暗いシャドウを有する）と超スピン状態の物体（小半径からの遮断のない放射によりシャドウ内に明るいスポットを有する）の予測された強度マップを比較する。
• 現在の1.3 mm観測によるSgrA*の見かけの直径を分析し、その源がブラックホールであるか、超スピン状態の物体であるかを制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のサブミリ波VLBI観測は、カー・ブラックホールと $ a/M > 1 $ の超スピン状態のコンパクト物体を区別できるか？
• RQ2 1.3 mmでのSgrA*の観測された見かけのサイズは、イベントホライズンの存在を支持するか、それともホライズンのない超スピン状態の物体を許容するか？
• RQ3 ホライズンが存在しない場合、ブラックホールモデルとは対照的に、降着流の強度マップはブラックホールと超スピン状態のコンパクト物体でどのように異なるか？
• RQ4 銀河中心部の物体がブラックホールではなく超スピン状態のコンパクト物体である場合、どのような観測的シグネチャが生じるか？
• RQ5 ホライズンが欠如することで、小半径からの遮断のない放射が、コンパクト物体のシャドウ内に明るいスポットとして観測可能になるか？

主な発見

• 1.3 mmでのSgrA*の固有の直径は $ 37^{+16}_{-10} $ $\mu$as であり、これはシュバルツシルト（$ 52 \mu$as）やカー（$ 45 \mu$as）ブラックホールが予測する最小値よりも小さい。これは、標準的なブラックホールモデルからの逸脱を示唆している。
• SgrA*が $ a/M > 1 $ の超スピン状態の物体である場合、光球面はイベントホライズンの半径よりも小さくなる可能性があり、ブラックホールが予測するより小さい見かけのサイズを示す可能性がある。
• イベントホライズンが存在しない場合、コンパクト物体に非常に近い領域からの放射が観測者に到達でき、ブラックホールモデルとは異なりシャドウ内に明るい特徴が現れる。
• $ a/M = 2 $ の超スピン状態の物体の予測画像では、表面近くで重力赤方偏移がほとんどないため、シャドウ内に明確な明るいスポットが現れる。これは、ブラックホールの暗いシャドウとは対照的である。
• 500 GHz以上の周波数での将来のサブミリ波VLBI観測により、シャドウの解像とこのような構造的差が検出可能になると予想され、キャーター＝アイザラーコンジェクチャーの直接的な検証が可能になる。
• シャドウ内に明るいスポットを有するシャドウの存在は、ホライズンのない超スピン状態のコンパクト物体を示し、一方、暗く特徴のないシャドウはブラックホール仮説を支持する。