[論文レビュー] On the question of trapped surfaces and black holes

Abhas Mitra|arXiv (Cornell University)|May 30, 2001

Relativity and Gravitational Theory参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、一般相対性理論における物質粒子の世界線の時間的性質との根本的矛盾により、ブラックホール（BHs）が存在できないと主張している。代わりに、特異点を避ける硬い表面を持つ『永遠のコンパクト物体』（ECOs）が、観測されたブラックホール候補（BHCs）を説明すると提案している。これらのECOsは、ローレンツ因子γ ~ 数個の相対論的プラズマ流れによって、標準的な中性子星とは異なり、ハードX線テイルを説明可能であり、R → 0のときM(r) → 0を要請することで、BHの無限大の固有長さのパラドックスを回避する。

ABSTRACT

There are many observational evidences for the detection of compact objects with masses significantly larger (in galactic cases) or much larger (in extragalactic cases) than the upper limits of masses of em cold Neutron Stars. Such compact objects are commonly interpreted as Black Holes (BHs). However, we point out that while such Black Hole Candidates (BHCs) must be similar to BHs in many respects they, actually, can not be BHs because existence of Black Holes would violate the basic tenet of the General Theory of Relativity that the worldline of a material particle must be TIMELIKE at any regular region of spacetime. We arrive at this unique conclusion by approaching the problem from various directions. We feel that such ``operational'' Black Holes could be able to explain hard X-ray tail found in the galactic BHCs because Lorentz factor of the plasma accreting on such objects should be considerably higher than the corresponding NS case.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論が粒子の世界線を時間的であると要求するのに対し、事象の地平線を有するブラックホールが存在することの矛盾を解消すること。
• 標準的なブラックホール降着物理学を用いずに、銀河的ブラックホール候補における観測されたハードX線テイルを説明すること。
• 一般相対性理論下で球対称な重力的崩壊において、捕獲表面が形成されないことを示すこと。
• 観測されたBHCsが真のブラックホールではなく、特異点を避ける硬い表面を持つコンパクト物体であると提案すること。
• X線の放射度や偏光といった観測データを、真のブラックホールとは異なるモデル（ECOsや自己重力的フェルミオン球）と調和させること。

提案手法

• 不変円周座標Rを用いた球対称時空計量を用いて、径方向世界線を分析する。
• 時間的測地線の条件ds² ≥ 0を適用し、g₀₀とg₁₁に関する制約を導出。V ≤ 1ならばg₀₀ ≥ 0であることを示す。
• 共動座標（r,t）を用いた球対称重力的崩壊を分析。制約式Γ² = 1 + U² - 2GM(r)/Rを導出する。
• ΓとUをそれぞれdR/dlとdR/dτとして再解釈し、制約をΓ²(1 - V²) = 1 - 2GM(r)/Rの形に表現する。
• 右辺が≥ 0でなければならないことから、2GM(r)/R ≤ 1であることが示され、球対称崩壊では捕獲表面が形成されないことが証明される。
• 真のブラックホール特異点は、R → 0のときM(r) → 0を要請するため、中心に重力的質量がゼロである必要があると結論づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般相対性理論下で、球対称な重力的崩壊において捕獲表面が形成可能か？
• RQ2 ブラックホールの事象の地平線の存在は、物質粒子世界線の時間的性質を侵害するか？
• RQ3 観測されたブラックホール候補（BHCs）は、真のブラックホール以外の物体によって説明可能か？
• RQ4 コンパクト物体への降着流れで達成可能な最大ローレンツ因子は何か？また、それはハードX線テイルを説明できるか？
• RQ5 Sgr A*のようなBHCからのX線放射は、降着に起因するのか、それともECOsからのシンクロtron放射に起因するのか、観測された偏光と放射度制約を踏まえてより妥当な説明は何か？

主な発見

• 時間的世界線条件により2GM(r)/R ≤ 1が要求されるため、球対称崩壊では捕獲表面が形成されない。
• 真のブラックホールは、中心特異点にゼロの重力的質量を要請するが、これは有限質量ブラックホールの存在と矛盾する。
• 崩壊の最終的特異点では、R → 0のときM(r) → 0でなければならない。これは中心物体が質量を持つ特異点ではないことを示唆する。
• ECOsへの降着流れはローレンツ因子γ ~ 数個に達し、中性子星（γ ~ 1.1）とは異なり、ハードX線テイルを説明するのに十分である。
• 低放射度X線放出（AGNsやSgr A*のようなBHCs）は、ADAF降着ではなく、シンクロtron放射によってよりよく説明される。特に、観測された偏光と放射度制約を考慮すると、より妥当である。
• 超大質量BHCであるSgr A*は、質量mf ~ 15.9 keVの弱い相互作用を有するフェルミオンの自己重力的球体によってよりよく説明可能であり、観測された質量と運動学と整合的である。