[論文レビュー] The electromagnetic afterglows of gravitational waves as a test for Quantum Gravity

M. A. Abramowicz, T. Bulik+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2016

Relativity and Gravitational Theory被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、重力波パルスに伴う強力な電磁気的後光が、ブラックホールの代替理論（炎の壁や重力星）の観測的証拠となり得ると提案している。一方、このような後光が観測されない場合、それらの存在を疑う根拠となる。著者は、標準的ブラックホール合体とは異なり、これらの仮説的対象の合体が一般相対性理論のもとで電磁気的放射を発しない標準的ブラックホール合体とは異なり、重力波エネルギーと同等の電磁気的エネルギーを放出する可能性があると主張している。

ABSTRACT

We argue that if particularly powerful electromagnetic afterglows of the gravitational waves bursts will be observed in the future, this could be used as a strong observational support for some suggested quantum alternatives for black holes (e.g., firewalls and gravastars). A universal absence of powerful afterglows should be taken as a suggestive argument against such hypothetical quantum-gravity objects.

研究の動機と目的

• 重力波イベントに伴う電磁的後光が、標準的ブラックホールと量子重力の代替理論の間を区別できるかどうかを調査すること。
• 炎の壁や重力星のような仮説的な量子重力対象の存在を支持または反証する観測的証拠として、強力な後光の有無または無しを評価すること。
• 非標準的コンパクト物体が合体イベント中に顕著な電磁放射をどのように放出するかの物理的メカニズムを探索すること。

提案手法

• 仮説的量子重力対象（炎の壁や重力星）が二重合体において電磁放射を発生する可能性を分析する。
• 古典的電磁気学を用いて、電磁場と磁場を有する帯電した急激に変形する殻からの放射を推定する。
• ポインティングベクトル形式を用いて放射エネルギーを計算し、厚さδの殻が表面電荷と速度vdを持つと仮定する。
• 予測された電磁放射の全光度を正規化するため、プランク光度単位L_PLANCKを基準として用いる。
• GW150914からの重力波光度L_GWと推定された電磁光度Lγを、両者ともL_PLANCKにスケーリングして比較する。
• 殻の厚さと組成（ダークエネルギー対通常物質）が電磁放射効率に与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炎の壁や重力星のような、ブラックホールの量子重力的代替物質の衝突が、重力波エネルギーと同等の電磁的後光を発生させ得るか？
• RQ2 非標準的コンパクト物体の合体時に強い電磁放射が生じる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 なぜ標準的ブラックホール合体は電磁的後光を発しないが、仮説的な量子重力的対象は発するのか？
• RQ4 重力星の殻の質量と構造は、合体時に検出可能な電磁放射を発する可能性にどのように影響するか？
• RQ5 GW150914で強力な後光が観測されなかったことから、炎の壁や重力星の存在を否定する根拠とできる程度はどの程度か？

主な発見

• 本稿では、重力星合体からの電磁光度Lγが約10^55 erg/secに達すると推定されており、GW150914で観測された重力波光度L_GW（約5×10^55 erg/sec）と同等である。
• この光度は、磁場B ≈ μ₀ecφ₀²および速度vd ≈ 10⁻²cを持つ変形する帯電殻を仮定したポインティングベクトル形式を用いて推定されている。
• 予測された電磁放射パワーはプランク光度単位L_PLANCKに比例し、全質量Mに依存しない。これは、星質量および超大質量二重合体の両方で同程度の放射レベルが得られることを示唆している。
• プランク厚さの殻を持つ標準的重力星では、ダークエネルギー核が放射に寄与するが、より厚い殻を持つ非標準的重力星では、p=ρc²の殻に含まれる通常物質がより多くの放射をもたらす可能性がある。
• GW150914で強力な後光が観測されなかったこと（重力波エネルギーが非常に高いにもかかわらず）は、残留物質が存在しないと仮定した場合、炎の壁や重力星の存在を否定する根拠として解釈される。
• 研究は、今後の強力な電磁的後光の検出が、ブラックホールの量子重力的代替物質の存在を支持するものであり、その一貫した欠如がこのようなモデルを挑戦するものであると結論づけている。