[論文レビュー] Shadow casted by a twisted and rotating black hole

Songbai Chen, Jiliang Jing|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、回転パラメータはあるが全角運動量を持たない4次元アインシュタイン重力における真空解であるねじれ回転ブラックホールが投げた影を調査する。回転パラメータが存在するにもかかわらず、影は観測者の傾きに依存せず円形のディスクのままであり、光子殻半径および影の大きさは回転パラメータとともに単調に増加し、Kerr型ではなく静的ブラックホールに類似した振る舞いを示す。

ABSTRACT

Zhang have obtained recently a twisted rotating black hole metric, which is a vacuum solution in four-dimensional Einstein gravity. This black hole solution has a rotation parameter, but without the total angular moment. Here, we have investigated the shadow casted by a twisted rotating black hole. Our results show that the shape of the shadow of the twisted rotating black hole is a standard round disk and does not depend on the inclination angle of the observer. It means that although the twisted rotating black hole has a rotation parameter, its shadow possesses the same behaviors as the common static black hole rather than the usual Kerr-like black holes. Moreover, we find that the marginally circular orbit radius of photon is independent of the direction of photon around the black hole. The value of the marginally circular orbit radius of photon and the size of shadow increase monotonously with the rotation parameter.

研究の動機と目的

• ねじれ回転ブラックホール、4次元アインシュタイン重力における新規の真空解の影の形状を分析すること。
• 全角運動量が存在しないにもかかわらず、回転パラメータが影の形状およびサイズに与える影響を調査すること。
• 影がKerr型ブラックホールに特徴的な振る舞いを示すのか、それとも静的ブラックホールに類似しているのかを特定すること。
• 安定でない境界の光子軌道の性質と、その方向および回転パラメータ依存性を検討すること。

提案手法

• 本研究では、張によって最近導出されたねじれ回転ブラックホールの計量を用い、4次元における真空アインシュタイン方程式を満たす。
• 光子軌道を追跡するために、光線の測地線方程式を用いて影を計算する。
• 観測者の傾き角を変化させ、それが影の外見的形状およびサイズに与える影響を評価する。
• 等価ポテンシャル法を用いて、赤道面における安定でない円形光子軌道の半径を計算する。
• 影の境界は、無限遠に脱出するか、ホライズンに落下する光子に対応する臨界影響パラメータによって決定される。
• 数値シミュレーションを用いて影を可視化し、回転パラメータおよび観測者の向きに依存するその依存性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれ回転ブラックホールの影は、標準的なKerrブラックホールの影とどのように異なるか？
• RQ2 回転パラメータが存在するにもかかわらず、影の形状は観測者の傾き角に依存せず円形のままであるか？
• RQ3 安定でない光子軌道の半径は、回転パラメータおよび光子の進行方向にどのように依存するか？
• RQ4 全角運動量が存在しない状況下で、影の大きさは回転パラメータにどの程度比例して増加するか？
• RQ5 影の振る舞いは、静的ブラックホールに類似しているのか、それとも回転するKerrブラックホールに類似しているのか？

主な発見

• ねじれ回転ブラックホールの影は、観測者の傾き角にかかわらず完璧な円形である。
• 影の大きさは回転パラメータとともに単調に増加し、直接的な比例関係があることが示された。
• 安定でない円形光子軌道の半径は、ブラックホールの周囲における光子の方位角方向に依存しない。
• 光子殻半径は回転パラメータの増加に伴い増加し、影の大きさの増加と整合的である。
• 回転パラメータが存在するにもかかわらず、影の振る舞いはKerr型回転ブラックホールではなく、静的ブラックホールに類似している。
• 全角運動量が存在しないにもかかわらず、影の円対称性や光子軌道半径の等方性は変化しない。