[論文レビュー] Transonic Black Hole Accretion as Analogue System

Tapas K. Das|ArXiv.org|Nov 1, 2004

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 5被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、トランスオン的降着が一般相対性理論的ブラックホールの自然なアナログ系として機能し、トランスオン点に音響ホライズンが形成され、それらがホーキング放射に類似した準熱的フォノンを放出することを提案している。主な結果として、特定の降着パラメータの下では、アナログホーキング温度が実際のホーキング温度を上回ることが示され、ブラックホール降着がこの現象を示す唯一の既知の古典的系である。

ABSTRACT

Classical black hole analogues (alternatively, the analogue systems) are fluid dynamical analogue of general relativistic black holes. Such analogue effects may be observed when acoustic perturbations (sound waves) propagate through a classical dissipation-less tran-sonic fluid. The acoustic horizon, which resembles the actual black hole event horizon in many ways, may be generated at the transonic point in the fluid flow. Acoustic horizon emits quasi thermal phonon spectra, which is analogous to the actual Hawking radiation, and possesses the temperature referred as the analogue Hawking temperature, or simply, the analogue temperature. Transonic accretion onto astrophysical black holes is a very interesting example of classical analogue system found naturally in the Universe. An accreting black holes system as a classical analogue is unique in the sense that only for such a system, both kind of horizons, the electromagnetic and the acoustic (generated due to transonicity of accreting fluid) are simultaneously present in the same system. Hence an accreting astrophysical black hole is the ideal-most candidate to theoretically study and to compare the properties of these two different kind of horizons. Also such system is unique in the aspect that general relativistic spherical accretion onto the Schwarzschild black hole represents the only classical analogue system found in the nature so far, where the analogue Hawking temperature may be higher than the actual Hawking temperature.

研究の動機と目的

• トランスオン的降着が一般相対性理論的ブラックホールの自然な古典的アナログ系として確立されること。
• アナログホーキング温度が実際のホーキング温度を上回る条件の特定。
• 1つの天体的系において電磁的ホライズンと音響的ホライズンが共存する可能性の探求。
• トランスオン的降着流における音響的ホワイトホールの出現の分析。
• 天体的環境におけるアナログホーキング放射の検出可能性の評価。

提案手法

• シュヴァルツシルトブラックホールの周囲を対象とする球対称でトランスオン的、散乱のない流体の流れを相対論的流体力学でモデル化する。
• 流体の運動方程式から音響計量を導出し、トランスオン点に位置する音響ホライズンを特定する。
• 音響ホライズンの表面重力 $ \kappa_{ac} $ を計算し、関係式 $ T_{AH} \propto \kappa_{ac} $ を用いてアナログホーキング温度を求める。
• 導出された式を用いてアナログホーキング温度 $ T_{AH} $ と実際のホーキング温度 $ T_H $ を比較する。
• パrameter空間 $ \{\mathcal{E}, \gamma\} $ を分類し、$ T_{AH} > T_H $ となる領域、ホワイトホールが形成される領域、または $ T_{AH} $ が虚数となる領域を特定する。
• 衝撃波の影響を受ける内側の音速点を除き、外側の音速点における音響計量と表面重力を評価することで、軸対称ディスク降着への解析を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トランスオン的ブラックホール降着において、どのような条件下でアナログホーキング温度が実際のホーキング温度を上回るか？
• RQ2 音響的ホワイトホールはトランスオン的降着流に出現する可能性があり、そのような状態はどのような流体パラメータに対応するか？
• RQ3 軸対称ディスク降着における複数の音速点の存在が、音響ホライズンの定義にどのように影響するか？
• RQ4 トランスオン的球対称降着は、アナログ温度が実際のホーキング温度を上回る唯一の既知の古典的系であるか？
• RQ5 衝撃波の形成は、多段トランスオン降着におけるアナログブラックホール行動をどのように破壊するか？

主な発見

• 高エネルギー・高-$ \gamma $ 流れ（例：$ \gamma > 4/3 $）では、アナログホーキング温度 $ T_{AH} $ が実際のホーキング温度 $ T_H $ を上回り、アナログ放射が支配的になる。
• パラメータ空間 $ \{\mathcal{E}, \gamma\} $ の特定の領域では、音速の空間勾配が $ da_s/dr < du/dr $ を満たすため、出流的解に伴いマッハ数が増加する領域に音響的ホワイトホールが出現する。
• $ r_h > 1 $ だが $ \Phi_{123}^2 < 0 $ となる領域では $ T_{AH} $ が虚数となり、音響ホライズンに対して物理的に不適切な状態を示している。
• トランスオン的球対称降着は、$ T_{AH} > T_H $ を満たす唯一の既知の古典的アナログ系であり、ニュートン的または準ニュートン的モデルではこの特徴は観察されない。
• 軸対称ディスク降着では、外側の音速点のみが安定で物理的に意味のある音響ホライズンを提供し、衝撃波の影響を受ける内側の点は除外される。
• 複数の音速点を有する多段トランスオン流において、2つの音速点の間の観測者がブラックホールとホワイトホールの両方を観測する可能性があり、音響幾何における複雑な因果構造が示唆される。