[論文レビュー] Shadow of axisymmetric, stationary and asymptotically flat black holes in the presence of plasma

Javier Badía, Ernesto F. Eiroa|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 109被引用数 70

ひとこと要約

本稿では、球対称時空からニュークレイン＝ジャニス変換によって得られる回転するブラックホールを取りまくプラズマが、影のサイズと形状に与える影響を調査する。光のハミルトニアン・ジャコビ方程式をプラズマ中で解くことで、影の輪郭の天球座標を導出し、面積、扁平度、重心といった観測可能な量を定義する。主な結果として、プラズマは影のサイズと歪みを両方とも小さくし、低周波数の光子では禁止領域が出現し、影の急激な縮小または消滅を引き起こす。

ABSTRACT

We study the shadow produced by a class of rotating black holes surrounded by plasma. The metric for these black holes arises by applying the Newman-Janis algorithm to a family of spherically symmetric spacetimes, which includes several well known geometries as special cases. We derive a general expression for the shape of the shadow in the case that the plasma frequency leads to a separable Hamilton-Jacobi equation for light. We present two examples in which we obtain the shadow contours and the observables resulting from them. In one, we analyze Kerr-Newman-like geometries, including braneworld and Horndeski gravity black holes, while in the other, we consider scalar-tensor 4D Einstein-Gauss-Bonnet gravity spacetimes. In both cases, we find that the presence of plasma leads to a smaller and less deformed shadow.

研究の動機と目的

• 修正重力の下で軸対称かつ定常的で、漸近的に平坦なブラックホールの影にプラズマが与える影響を分析すること。
• ハミルトニアン・ジャコビ方程式が分離可能となる条件のもとで、影の輪郭の一般式を導出すること。
• プラズマ状態下での2つの具体的なブラックホールモデル—キヤー＝ニューマン型とスカラー・テンソル4次元アインシュタイン＝ガウス・ボンネット重力—を検討すること。
• EHT観測と比較可能な観測可能量（面積、扁平度、重心）を定義し、数値計算すること。
• 現在および将来の電波観測において、プラズマに起因する影の変化を検出可能な観測的妥当性を評価すること。

提案手法

• 本研究では、球対称な種の計量から回転ブラックホール計量を生成するニュークレイン＝ジャニスアルゴリズムを用い、さまざまな重力モデルに適用可能である。
• プラズマ中における光線のハミルトニアン・ジャコビ方程式は、プラズマ周波数 ωp を含むハミルトニアンから導出され、光子の時的測地線構造を示す。
• ωp に分離条件を課し、ボイヤー＝リンデューランド座標系でハミルトニアン・ジャコビ方程式が分離可能であることを保証することで、光線の軌道を解析的に解けるようにする。
• 遠方の観測者が見た影の輪郭の天球座標を計算し、観測者の傾き角と光子周波数 ω0 に依存する。
• 3つの観測可能量—影の面積、扁平度、重心のずれ—を定義し、2つの例としての時空について数値計算を行う。
• 分離条件を満たすために、θ依存性を持つ修正されたシャピロ型プラズマ分布を導入し、無限遠で静止するダストをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 修正重力下の回転ブラックホールの影のサイズと形状は、プラズマの存在によってどのように変化するか？
• RQ2 回転ブラックホール時空において、光のハミルトニアン・ジャコビ方程式が分離可能となるプラズマ周波数の条件は何か？
• RQ3 ブラックホール影の輪郭に現れるプラズマに起因する禁止領域の観測的シグネチャは何か？
• RQ4 プラズマ存在下で、光子周波数 ω0 が減少するにつれて、影の観測可能量（面積、扁平度、重心）はどのように変化するか？
• RQ5 EHT観測において、プラズマ効果による影の変化とキヤー計量のずれをどの程度区別できるか？

主な発見

• プラズマが存在する場合、真空中の状況と比較して影のサイズが小さくなり、歪みも小さくなる。この効果は光子周波数 ω0 が低下するにつれて顕著になる。
• 低周波数 ω0 において、ブラックホール周囲に禁止領域が出現し、初期は極域のキャップとして現れ、赤道面に向かって拡大する。その結果、影のサイズが急激に減少する。
• キヤー＝ニューマン型モデルでは、ω0 が低下するにつれて影が著しく縮小し、特に ωc/ω0 が増加する場合にその効果が顕著になる（ωc はプラズマ周波数スケール）。
• スカラー・テンソル4次元アインシュタイン＝ガウス・ボンネットモデルでは、ω0 が低下するにつれて影は縮小し、歪みも小さくなるが、γ の許容範囲は電荷 q の場合よりも制限が厳しい。
• プラズマの影響により影の重心がずれるが、この観測可能量は、ブラックホールの真の天球位置を高精度で知る必要があるため、観測的に測定するのが最も困難である。
• 一般形式を用いることで、分離条件を満たす任意のニュークレイン＝ジャニス由来の回転ブラックホールとプラズマ分布について、影のプロットと観測可能量の計算が可能になる。