[論文レビュー] Shadow, lensing, quasinormal modes, greybody bounds and neutrino propagation by dyonic ModMax black holes

Reggie C. Pantig, Leonardo Mastrototaro+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2022

Black Holes and Theoretical Physics被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、磁気的電荷とスクリーニングパラメータγを有する非線形電磁力学ブラックホール（dyonic ModMaxブラックホール）の天体物理学的および重力的特徴を、影像、弱い重力レンズ効果、準正規モード、グレイボディ係数、ニュートリノ伝播を用いて調査する。EHTおよびLIGO/Virgoの観測データを用いてγを制約し、γが影の強度を低下させ、質量を持つ粒子の軌道における偏光角を増幅させ、ニュートリノスピン振動を抑制し、高エネルギー吸収断面積を増加させることを示す。

ABSTRACT

Motivated by recent work on the Modified Maxwell (ModMax) black holes [Phys.Lett.B 10.1016/j.physletb.2020.136011], which are invariant in duality rotations and conformal transformations founded in [ Phys.Rev.D 10.1103/PhysRevD.102.121703], we probe its effects on the shadow cast, weak field gravitational lensing, and neutrino propagation in its vicinity. Using the EHT data for the shadow diameter of Sgr. A* and M87*, and LIGO/VIRGO experiments for the dyonic ModMax black hole perturbations, we find constraints for ModMax parameters such as $Q_ ext{m}$ and the screening factor $γ$. We also analyze how the shadow radius behaves as perceived by a static observer and one that is comoving with the cosmic expansion. The effect of the ModMax parameters is constant for a static observer, and we found That it varies when the observer is comoving with cosmic expansion. We also analyzed its effect on the weak deflection angle by exploiting the Gauss-Bonnet theorem and its application to Einstein ring formation. We also consider the finite distance effect and massive particle deflection. Our results indicate that the far approximation of massive particle gives the largest deflection angle and amplifies the effect of $Q_ ext{m}$ and $γ$. Then we also calculate the quasinormal modes and greybody bounds which encode unique characteristic features of the dyonic ModMax black hole. With the advent of improving space technology, we reported that it is possible to detect the deviation caused through the shadow cast, Einstein rings, quasinormal modes, and neutrino oscillations.

研究の動機と目的

• イベントホライズン望遠鏡（EHT）およびLIGO/Virgoの観測データを用いて、ModMaxスクリーニングパラメータγと磁気的電荷Qmを制約すること。
• 宇宙膨張における静止観測者と共動観測者の間で、ブラックホールの影半径がどのように異なるかを分析すること。
• ガウス＝ボンネットの定理を用いて、有限距離補正および質量を持つ粒子の軌道を含めた弱場重力レンズ効果を検討すること。
• ModMaxブラックホール時空におけるスカラー摂動の準正規モード（QNMs）およびグレイボディ限界を計算すること。
• ダイオン的ModMax幾何におけるニュートリノのフレーバーおよびスピン振動を調査し、将来のニュートリノ望遠鏡による検出可能性を評価すること。

提案手法

• Sgr A*およびM87*のEHTデータの影の直径を用いて、ModMaxパラメータγおよびQmを制約した。
• 弱場近似における弱い偏光角を計算するためにガウス＝ボンネットの定理を適用し、有限距離補正および質量を持つ粒子の軌道を組み込んだ。
• 6次までのWKB近似を用いて、ModMaxブラックホール背景における質量のないスカラー場の準正規モード（QNM）周波数を計算した。
• グレイボディ係数に対する厳密な限界を計算し、Sinc近似を用いて高エネルギー吸収断面積を分析した。
• 曲がった時空における相対論的波動方程式を用いてニュートリノ伝播をモデル化し、ModMax幾何におけるフレーバーおよびスピン振動確率を評価した。
• 一般相対性理論（GR）およびシュバルツシルトブラックホールのベンチマークと、複数の観測量において結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ModMax電磁力学におけるスクリーニングパラメータγは、宇宙膨張における共動観測者と静止観測者の間で、影半径にどのように影響を与えるか？
• RQ2 EHTの影測定およびLIGO/Virgoの重力波データから導かれるγおよびQmの制約は何か？
• RQ3 ModMaxブラックホール時空における質量を持つ粒子の弱い偏光角は、質量のない場合と比べてどのように異なり、γおよびQmに依存するか？
• RQ4 γが増加するに従い、準正規モード周波数およびグレイボディ限界はどのように変化するか？また、LIGOおよびLISAによるブラックホール検出にどのような意味を持つか？
• RQ5 ダイオン的ModMaxブラックホール時空において、ニュートリノフレーバーおよびスピン振動は一般相対性理論と比べてどの程度変化するか？

主な発見

• 影半径はγが増加するにつれて減少し、特に宇宙膨張に共動する観測者においてその効果が顕著になるため、影の性質が宇宙論的依存性を示す。
• EHTデータにより、スクリーニングパラメータγは影の強度を低下させる値に制約され、影の直径が観測と整合するためにはγ < 0.1である必要がある。
• 質量を持つ粒子の偏光角に対する遠方近似は最大の偏光角をもたらし、質量のない粒子と比較してγおよびQmの効果が顕著に増幅される。
• 準正規モード周波数（実部および虚部の両方）はγが増加するに従い減少し、アイケオナル極限では光線力学的対応関係が確認された。
• グレイボディ限界はγが増加するに従い増加し、高エネルギー吸収断面積は不安定性が増大し、高エネルギー域で振幅の大きな振動を示すため、回折的パターンに類似した挙動を示す。
• ダイオン的ModMax幾何ではニュートリノフレーバー振動長は一般相対性理論と比べて約10%変化するが、スピン反転振動は抑制され、核合成過程は一般相対性理論の予測と約5%の差異を示す。