[論文レビュー] Modified Kerr black holes surrounded by dark matter spike

Salvatore Capozzıello, Soroush Zare+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2023

Black Holes and Theoretical Physics被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、グローバルモノポールを伴う Bumblebee 重力理論の中で暗黒物質のスパイクを持つ Kerr に似たブラックホールをモデル化し、修正 TOV および Newman-Janis 法を用いて Schwarzschild に似た解と回転解を導出し、M87* および Sgr A* の EHT 観測を用いて BGGM パラメータを制約する。

ABSTRACT

We study supermassive black holes (SMBH), surrounded by a dark matter (DM) spike, that can be found at the centers of Milky Way and $ ext{M87}$ galaxies and are accompanied by a specific kind of topological defect. The investigation is developed within the framework of Bumblebee Gravity with a global monopole (BGGM). The dark matter spike is described by a power-law density profile. Our main objective is to assess how the background arising from spontaneous Lorentz symmetry breaking and the presence of a global monopole influence the properties of the Kerr BH within the region affected by the spike. Using a spherically symmetric static BH with BGGM properties as the seed metric, we construct a non-rotating spacetime with a DM spike, resulting in a BGGM-motivated Schwarzschild-like BH by solving the modified Tolman-Oppenheimer-Volkoff equations (TOV). Next, we extend this approach to the case of a rotating spacetime resulting in the BGGM-motivated Kerr-like BH (BGMKLBH). This approach allows us to explore the spacetime structure, and the BGMKLBH shadows. Then, using available observational data for the DM spike density and considering the effects of BGGM on $ ext{Sgr A}^{*}$ and $ ext{M87}^{*}$ SMBHs, we analyse the shapes of their shadows and put constraints on the BGGM parameter. Thus, we infer that the BGMKLBHs could be reliable candidates for the astrophysical BHs.

研究の動機と目的

• 黒洞時空に対する自発的なローレンツ対称性破れとグローバルモノポールの影響を評価する。
• DM スパイクを用いて、2 つのアプローチ（修正 TOV と修正アインシュタイン方程式）で Schwarzschild に似た BGGM ブラックホール解と Kerr に似た BGGM ブラックホール解を構成する。
• 修正ニューマン-ジェインズ法を用いて回転時空へ拡張し、地平線、静止極限面、エルゴ区域、シャドウを分析する。
• DM スパイクのパラメータと BGGM 耦合がシャドウの形状と大きさをどのように修飾するかを決定し、EHT 観測と比較して BGGM を制約する。

提案手法

• 球対称 BGGM シード計量から開始し、パワー法密度プロファイルを持つ DM スパイクを導入する。
• 修正 Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) 方程式を解いて BGMSLBH 計量を得る。
• あるいは DM スパイクと BGGM エネルギー運動量寄与を含む修正されたアインシュタイン場方程式を解く（XHGW 法）。
• 修正ニュー曼-ジェインズ法を用いて回転計量へ拡張し、BGMKLBH 時空を得る。
• スパイク領域での地平線、静止極限面、エルゴ区域、シャドウを解析する。
• M87* および Sgr A* の EHT シャドウ観測を用いて BGGM パラメータ q を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BGGM 効果と暗黒物質スパイクは Schwarzschild に似たブラックホールの地平線構造および因果領域をどのように変えるか。
• RQ2 回転する BGGM ブラックホールに対するシャドウの形状と大きさに対する BGGM パラメータと DM スパイクの影響は何か。
• RQ3 M87* および Sgr A* の EHT 観測は DM スパイクの枠組み内で BGGM パラメータを制約できるのか。
• RQ4 2 つの解析アプローチ（修正 TOV 対 XHGW）は BGMSLBH/BGMKLBH 時空の予測にどの程度一致するか。
• RQ5 得られたシャドウは EHT の制約下で Kerr の予測と整合しているのか。

主な発見

• BGGM パラメータと DM スパイクはシュワルツシルト/カーのケースと比較した場合の地平線の位置とシャドウ特性を修正する。
• 回転 BGMSLBH 時空（BGMKLBH）は q と ρ_sp によって地平線、SLS、エルゴ区域を変更する。
• シャドウの変形と大きさは自転角度 a と BGGM パラメータ q に依存する。
• M87* および Sgr A* の EHT シャドウデータは BGMKLBH と重なるパラメータ空間を許可し、BGGM ブラックホールが天体物理的候補になり得ることを示唆する。
• 2 つの構築方法（TOV に基づくと XHGW に基づく）はスパイク領域内で互換性のある BGMSLBH/BGMKLBH 解を提供し、制約解析を可能にする。