[論文レビュー] Shadow of the rotating black hole with quintessential energy in the presence of the plasma

Ahmadjon Abdujabbarov, Bobir Toshmatov+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、一般相対性理論の正確な解を用いて、クインテシシャルエネルギーおよびプラズマに埋め込まれた回転するブラックホールの影を調査する。クインテシシャル場のパラメータが影の半径を増大させ、歪みを減少させることで、高速回転ブラックホールの影をより円形に近づける。一方、プラズマは影の顕在的半径を増大させるが、高場強度ではクインテシシャルに次ぐ二次的要因となる。

ABSTRACT

We study the shadow of the rotating black hole with quintessential energy i) in vacuum and ii) in the presence of plasma with radial power-law density. For vacuum case the quintessential field parameter of the rotating black hole sufficiently changes the shape of the shadow. With the increasing the quintessential field parameter the radius of the shadow also increases. With the increase of the radius of the shadow of the rotating black hole the quintessential field parameter causes decrease of the distortion of the shadow shape: In the presence of the quintessential field parameter the shadow of fast rotating black hole starting to become more close to circle. The shape and size of shadow of quintessential rotating black hole surrounded by plasma depends on i) plasma parameters, ii) black hole spin and iii) quintessential field parameter. With the increase of the plasma refraction index the apparent radius of the shadow increases. However, for the big values of the quintessential field parameter the change of the black hole shadow's shape due to the presence of plasma is not sufficient. In other words: the effect of the quintessential field parameter becomes more dominant with compare to the effect of plasma.

研究の動機と目的

• 真空中のクインテシシャルエネルギーが存在する回転ブラックホールの影を分析すること。
• 径方向のべき則密度を持つプラズマの影響を含めた分析を拡張すること。
• クインテシシャル場のパラメータ、ブラックホールスピン、およびプラズマの性質が影の形状とサイズに与える共同的影響を定量化すること。
• さまざまな条件下で、クインテシシャルとプラズマのどちらが影の形状を支配するかを比較すること。

提案手法

• 質量 $ M $、スピン $ a $、クインテシシャル場パラメータ $ c $ でパrameter化された、クインテシシャルエネルギーを有する回転ブラックホールの計量を、キセレフ解を用いて導出する。
• 光線の運動を曲がった時空内でモデル化するため、光線の測地線方程式を適用する。
• 径方向のべき則プラズマ密度プロファイル $ N(r) = N_0 / r^h $ を導入し、これにより光の伝播を変更する屈折率 $ n(r) $ を得る。
• 修正された運動量保存定数とカーターの式を用いて、屈折率を介してプラズマ効果を組み込んだ天球座標 $ eta $ と $ eta $ を計算する。
• 得られた光線軌道を用いて、$ a $、$ c $、および $ n $ のさまざまな値に対して数値的に影の画像を生成し、形状とサイズの変化を分析する。
• 真空中とプラズマ環境下での影の特徴を比較し、クインテシシャルとプラズマの相対的影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クインテシシャル場パラメータ $ c $ は、真空中の回転ブラックホールの影のサイズと形状にどのように影響するか？
• RQ2 径方向のべき則密度を持つプラズマが存在する場合、ブラックホールの影の顕在的半径と歪みはどのように変化するか？
• RQ3 クインテシシャル場パラメータとプラズマの屈折率の間で、影の形状に及ぼす相対的影響は何か？
• RQ4 クインテシシャルを有する高速回転ブラックホールの影は、標準的なカー解と比較してより円形になるか？
• RQ5 ブラックホールスピン $ a $、クインテシシャルパラメータ $ c $、およびプラズマ密度プロファイルが、影の観測可能な特徴をどのように共同で決定するか？

主な発見

• クインテシシャル場パラメータ $ c $ が増加するにつれて、影の半径も増大し、より高い $ c $ に対して顕在的なサイズが大きくなる。
• $ c $ が増加するにつれて、影の歪みが減少し、高速回転ブラックホールの影はより円形に近づく。
• プラズマ中では、重力レンズ効果および屈折効果により、プラズマの屈折率 $ n $ が高くなると、影の顕在的半径が増大する。
• クインテシシャル場パラメータ $ c $ が非常に大きい場合、プラズマの影形状への影響は無視可能となり、クインテシシャルが支配的要因となる。
• 影の形状とサイズは、ブラックホールスピン $ a $、クインテシシャル場パラメータ $ c $、およびプラズマパラメータ（例：$ n $）の3要因の組み合わせに依存する。
• プラズマ支配からクインテシシャル支配への遷移は、$ c $ が非常に高い領域で発生し、ここでプラズマ効果は飽和し、影に顕著な変化をもたらさなくなる。