[論文レビュー] Probing a nonlinear electrodynamics black hole with thin accretion disk, shadow and deflection angle with M87* and Sgr A* from EHT

Akhil Uniyal, Reggie C. Pantig+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、M87*およびSgr A*のイベントホライズン望遠鏡（EHT）観測に基づき、薄い降着円盤、ブラックホールの影、弱い重力レンズ効果の角度を用いて非線形電磁力学（NLE）ブラックホールモデルを調査している。非線形電磁力学パラメータβは、影の大きさ、放射線プロファイル、および屈折角に顕著な影響を及ぼすことが判明しており、EHTデータによりβの上界が得られ、特にM87*において顕著である。

ABSTRACT

Non-linear interaction between the electromagnetic fields (EMF) occurs when vacuum polarization in quantum electrodynamics (QED) happens. The field of non-linear electrodynamics, which may result from this interaction, could have important effects on black hole physics. This paper considers the asymptotically flat black hole solution in Einstein-nonlinear electrodynamics (NLE) fields. We study the effect of the NLE parameters on the black hole deflection angle using the Gauss-Bonnet theorem in weak field limits, shadow cast using the null geodesics method, and thin accretion disk using the Novikov-Thorne model. In particular, we studied the time-averaged energy flux, the disk temperature, the differential luminosity, the different emission profiles, and infalling spherical accretion. Then we show how the physical quantities depend on $β$ and $C$ parameters of NLE and provide some constraints on the NLE parameters using the observations of M87* and Sgr A* from EHT.

研究の動機と目的

• 非線形電磁力学（NLE）がブラックホールの影、降着円盤の放射、弱い屈折角といった性質に与える影響を調査すること。
• M87*およびSgr A*のEHT観測データを用いて、NLE結合パラメータβを制約すること。
• NLE補正がイベントホライズン付近のブラックホールの時空幾何学および観測可能な特徴にどのように影響を与えるかを検討すること。
• 将来の高分解能機器（EHTおよびRadioAstron）によってNLE効果が検出可能かどうかを評価すること。
• 弱い場およびホライズン付近の領域において、NLE予測がリッスラン＝ノールストロム解およびシュバルツシルト解とどのように異なるかを比較すること。

提案手法

• NLEブラックホール時空の弱い場の極限において、弱い屈折角を計算するためにガウス＝ボンネの定理を用いる。
• 光線の測地線法を用いて、ブラックホールの影とNLEパラメータβおよびCに依存する関係を計算する。
• 薄い降着円盤における時間平均エネルギー流量、円盤温度、微分輝度を計算するために、ノビコフ＝トールンモデルを適用する。
• 球対称な降着流をモデル化し、観測された強度プロファイルとそのβ依存性を分析する。
• M87*およびSgr A*のEHTによる影の直径測定値を用いて、理論的予測と比較することで、βの許容範囲を制約する。
• Okyay-Övgün Mathematicaパッケージを用いて、3つの簡易モデルの降着円盤放射プロファイルをシミュレートおよび比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形電磁力学パラメータβは、シュバルツシルト解およびリッスラン＝ノールストロム解と比較して、ブラックホールの影の大きさと形状にどのように影響を与えるか？
• RQ2 NLE補正は、薄い降着円盤のエネルギー流量、温度、微分輝度プロファイルにどの程度の影響を与えるか？
• RQ3 特に光子球面付近において、弱い屈折角はNLEパラメータβにどの程度敏感か？
• RQ4 M87*およびSgr A*のEHT観測は、NLE結合パラメータβに意味のある制約を提供できるか？
• RQ5 NLE効果の下で、影像の直接放射とレンズ効果リングの寄与はどのように変化するか？

主な発見

• 影の半径はβが増加するにつれて増大し、特にブラックホールに近い観測者において顕著であるが、遠方の観測者ではReissner-Nordström解に近づく。
• M87*においては、EHTデータによりβの上界が制約され、Sgr A*と比較してより高い値が要求されており、M87*がβの制約に対してより感受性が高いことを示している。
• 時間平均エネルギー流量および微分輝度のピーク値は、βが増加するにつれて減少する。これは、NLE時空におけるより深いポテンシャル井戸に起因する。
• 3番目の放射モデルにおいて、レンズリングがより顕著になるため、NLE効果が影像の構造を顕著に変化させ得ることを示している。
• 弱い屈折角はβが増加するにつれて増大し、特に光粒子および光子球面付近の影響径において顕著であり、将来的なEHT（10 μas）およびRadioAstron（1–10 μas）による検出が可能である。
• 球対称降着において、観測強度のピークはβが増加するにつれて上昇し、2次元強度マップでは、βが大きいほどホライズン付近の明るさが高くなる。これは、低電荷（Q = 0.01M）でも同様に観察される。