[論文レビュー] Topologically induced black hole charge and its astrophysical manifestations

Yun‐Ho Kim, Archil Kobakhidze|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、量子補正重力における質量のあるスピン2ギャップモードと電磁気学の間のトポロジカル項を通じた結合によって、天体的ブラックホールが大きな電荷を獲得するための位相的メカニズムを提案する。標準的な電荷蓄積とは異なり、この電荷は中性化に対して安定であり、ブラックホールの影の修正や二重合体合体からの高エネルギーシンクロtron放射といった検出可能な電磁的シグネイチャーとして現れる可能性がある。

ABSTRACT

Quantum corrected effective action for gravity contains massive spin-2 ghost degrees of freedom and admits a topological term which couples longitudinal vector degrees of freedom of the massive spin-2 to Maxwell's electromagnetism. We argue that in the presence of otherwise unobservable gravimagnetic poles this topological term induces an electric charge on a black hole which can be probed through the associated electric and magnetic fields. In particular, we discuss the electromagnetic follow up from the LIGO-sensitive charged black hole binary coalescence due to the synchrotron radiation from the surrounding plasma and the shadow of super-massive charged black holes.

研究の動機と目的

• 量子補正重力における位相的相互作用を通じて、天体的ブラックホールに大きな安定した電荷が付与される理論的可塑性を検討すること。
• 潜在的な量子的起源の電荷にもかかわらず、天体的ブラックホールが中性に見えるという長年の謎を解明すること。
• 超大質量ブラックホールおよび恒星質量ブラックホールにおけるこのような位相的に誘導された電荷の観測可能な電磁的結果を調査すること。
• 現在および将来のブラックホールの影観測と重力波フォローアップ観測が、この電荷を制約または検出できるかどうかを検証すること。

提案手法

• 質量のあるスピン2ギャップ自由度とトポロジカル項を含む量子補正有効作用を定式化し、それらを電磁気学と結合する。
• トポロジカル結合の源として隠れた重磁気的モノポールを導入し、直接的な電磁的相互作用なしにブラックホールに電荷を誘導する。
• 膜仮説を適用してブラックホール時空を解き、解がホライズン付近の電荷分布を持つリーマン＝ノールストローム解と形式的に一致することを示す。
• 光子軌道の臨界影響パラメータを用いて、トップロジカル電荷をパrameter $ \tilde{\frak{q}} $ を通じて組み込んだもとで、ブラックホールの影の大きさを電荷の関数として導出する。
• プラズマ中における質量関係のブラックホール二重系からのシンクロtron放射を推定し、デバイスクリーニングと銀河間物質内での伝播制約を考慮する。
• 理論的影の大きさを、ミルキーウェイ中心およびM87ブラックホールのイベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）観測データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホールが古典的蓄積ではなく、位相的相互作用を通じて大きな安定した電荷を獲得できるか？
• RQ2 このような位相的に誘導された電荷の観測可能な電磁的シグネイチャーは、超大質量ブラックホールにおいてどのように現れるか？
• RQ3 大きな位相的電荷が、イベント・ホライズン・テレスコープによって観測されるブラックホールの影の大きさにどのように影響を与えるか？
• RQ4 LIGO質量レンジの電荷を帯びたブラックホール二重系は、シンクロtron放射を通じて検出可能な電磁的フォローアップ信号を発することができるか？
• RQ5 現在のブラックホール影サイズの観測制約は、顕著な位相的電荷と整合的か？

主な発見

• 位相的メカニズムにより誘導される電荷は、標準的な電磁的中性化プロセスに対して安定であり、極限状態の限界のみに制限される。
• 電荷を持つブラックホールの影の大きさは、同じ質量の中性ブラックホールよりも小さく、その縮小は電荷パラメータ $ \tilde{\frak{q}} $ に依存する。
• 現在のEHT観測では、ミルキーウェイ中心ブラックホールは近似極限状態の電荷 $ \tilde{\frak{q}} \rightarrow 0.8 $ を支持しており、顕著な位相的電荷が可能であることを示唆している。
• M87*の測定された影の大きさは中性と整合的だが、現在の制約では大きな電荷 $ \tilde{\frak{q}} \rightarrow 0.9 $ を許容しており、さらなる検証の余地が残っている。
• LIGO質量レンジの電荷を帯びたブラックホール二重系は高エネルギーのシンクロtron放射を発する可能性があるが、現在の検出器はその信号を電磁的フォローアップとして同定する感度に欠けている。
• 位相的電荷メカニズムは、大きなブラックホール電荷を理論的に説明する枠組みを提供し、天体的観測を通じた量子重力効果の新たな検証の道を切り開く。