[논문 리뷰] Acceleration of colliding shells around a black hole -- Validity of test particle approximation in BSW process

Masashi Kimura, Ken-ichi Nakao외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 26.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 극한 블랙홀 주위에서 먼지 구형 셸의 충돌을 모델링하여 BSW 과정에서 시험 입자 근사의 타당성을 조사한다. 그 결과, 자기중력이 무한한 중심질량 에너지가 관측 가능한 영역에서의 상한선을 설정함을 보여주며, 입자가 생성하는 중력으로 인해 BSW 메커니즘의 에너지에 물리적 한계가 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Recently, Banados, Silk and West (BSW) showed that the total energy of two colliding test particles has no upper limit in their center of mass frame in the neighborhood of an extreme Kerr black hole, even if these particles were at rest at infinity in the infinite past. We call this mechanism the BSW mechanism or BSW process. The large energy of such particles would generate strong gravity, although this has not been taken into account in the BSW analysis. A similar mechanism is seen in the collision of two spherical test shells in the neighborhood of an extreme Reissner-Nordstrom black hole. In this paper, in order to draw some implications concerning the effects of gravity generated by colliding particles in the BSW process, we study a collision of two spherical dust shells, since their gravity can be exactly treated. We show that the energy of two colliding shells in the center of mass frame observable from infinity has an upper limit due to their own gravity. Our result suggests that an upper limit also exists for the total energy of colliding particles in the center of mass frame in the observable domain in the BSW process due the gravity of the particles.

연구 동기 및 목표

• 극한 케르 블랙홀 근처에서 무한한 중심질량 에너지를 예측하는 BSW 과정에서 시험 입자 근사의 타당성을 평가하기 위해.
• 충돌하는 입자들이 생성하는 중력이 총 충돌 에너지에 물리적 상한선을 설정하는지 조사하기 위해.
• 자기중력을 정확히 다룰 수 있는 두 개의 구형 먼지 셸의 충돌을 모델링하여 시험 입자 모델에 비해 더 현실적인 대안을 제공하기 위해.
• BSW 메커니즘이 무한한 에너지를 예측하더라도, 충돌 셸의 관측 가능한 중심질량 에너지가 여전히 유한한지 확인하기 위해.

제안 방법

• 정확한 아인슈타인 방정식의 해를 사용하여 극한 레이스너-노르트스트롬 블랙홀을 향해 수축하는 두 개의 구형 먼지 셸을 모델링한다.
• 셸 표면을 가로질러 접합 조건을 적용하여 셸의 운동 및 충돌 역학을 유도한다.
• 충돌 셸의 국소 정지 프레임에서 중심질량 에너지를 계산한 후, 이를 무한원에서 관측 가능한 에너지로 변환한다.
• 셸이 사건의 지평선에 가까워질수록 자기중력의 영향을 중심으로 중심질량 에너지의 행동을 분석한다.
• 시험 입자 모델의 BSW 예측과 비교하여 입자가 생성하는 중력의 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BSW 과정에서 충돌하는 입자들의 자기중력이 무한원에서 관측 가능한 중심질량 에너지에 유한한 상한선을 설정하는가?
• RQ2 자기중력을 포함할 경우, 극한 블랙홀 근처에서 충돌하는 먼지 셸의 중심질량 프레임에서의 에너지는 어떻게 행동하는가?
• RQ3 입자가 생성하는 중력장을 忽시한 채로 시험 입자 근사가 BSW 과정에서 얼마나 잘못된가?
• RQ4 충돌 셸의 중력 효과를 고려할 경우, 관측 가능한 영역에서 충돌 에너지가 여전히 무한할 수 있는가?

주요 결과

• 관측자가 무한원에서 측정한 두 개의 충돌 먼지 셸의 중심질량 에너지는 자기중력으로 인해 상한선이 존재한다.
• 관측 가능한 중심질량 에너지의 상한선은 셸의 중력장이 그들의 운동 및 충돌에 미치는 반작용으로 인해 발생한다.
• 결과적으로 BSW 메커니즘이 예측하는 무한한 에너지가 완전히 자기일관된 중력 모델에서는 무효화됨을 시사한다.
• 에너지의 유한한 상한선은 셸의 질량과 그들이 생성하는 곡률의 직접적인 결과이며, 이는 무한한 에너지 축적을 방지한다.