[논문 리뷰] Do we expect to detect electromagnetic radiation from merging stellar mass black binaries like GW150914? No

Shuang‐Nan Zhang, Yuan Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 09.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 병합하는 별질량 블랙홀(예: GW150914)으로부터 전자기(EM) 복사가 감지될 수 있는지 조사한다. 질량이 빛에 가까이 붕괴되는 물질의 영향을 고려한 시간에 따라 변화하는 메트릭을 사용하여, 융합 과정 중에 유의미한 EM 복사가 생성되지 않음을 결론 내린다 — 유일하게 중력파만 발생하며, 표준 조건에서는 EM 대응체는 감지될 수 없다. 유일한 예외는 병합 이전에 블랙홀이 밀도가 높은 매질에 잠겨 있을 경우이다.

ABSTRACT

Context: The LIGO consortium announced the first direct detection of gravitation wave event GW150914 from two merging black holes; however the nature of the black holes are still not clear. Aims: We study whether electromagnetic radiation can be detected from merging stellar mass black binaries like GW150914. Methods: We briefly investigate the possible growth and merging processes of the two stellar mass black holes in the merging event of GW150914 detected by aLIGO, as clocked by a distant external observer. Our main results are: (1) The description of the black hole growth using stationary metric of a pre-existing black hole predicts strong electromagnetic radiation from merging black holes, which is inconsistent with GW150914; (2) Only gravitational wave radiation can be produced in the coalescence of two black holes such as that in the GW150914 event, if the black hole growth is described using time-dependent metric considering the influence of the in-falling matter onto a pre-existing black hole, as clocked by a distant external observer. Conclusions: Future high sensitivity detections of gravitational waves from merging black holes might be used to probe matter distribution and space-time geometry in the vicinity of the horizon. Perhaps the GW150914-like events can be identified with traditional astronomy observations only if the black holes are embedded in extremely dense medium before their final merge, when very strong electromagnetic radiation is produced and can escape from the system.

연구 동기 및 목표

• GW150914 사건에서 유추된 두 별질량 블랙홀의 융합 과정에서 전자기 복사가 발생할 수 있는지 평가하기.
• 정적인 메트릭 모델(블랙홀 시조의 외부에 고착된 물질에서 EM 복사를 예측함)과 관측된 GW150914 사건 사이의 모순을 검토하기.
• 원거리 외부 관측자 시점에서 복합 블랙홀 성장과 융합 역학을 모델링하는 데 있어 시간에 따라 변화하는 시공간 메트릭의 역할 평가하기.
• 밀도 높은 매질 등 병합 이전에 EM 대응체가 감지될 수 있는 조건 탐색하기.
• 고감도 중력파 탐지가 블랙홀 시조 근처 시공간 기하학과 물질 분포를 탐사할 수 있음을 제안하기.

제안 방법

• 무한한 좌표 시간 지연로 인해 물질이 사건의 지평선 바로 외부에 축적된다고 가정하는 정적 슈바르츠실트 메트릭을 사용하여 블랙홀 성장 분석하기.
• 원거리 외부 관측자 입장에서 빛에 가까이 붕괴되는 물질의 영향을 반영한 시간에 따라 변화하는 메트릭 적용하기.
• GW150914의 이중 블랙홀 융합 시간스케일에 비해 붕괴되는 물질의 응집 시간스케일 모델링하기.
• 정적 모델에서 축적된 물질의 EM 빛의 세기 예측과 X선, 광학, 자외선 후속 관측 결과의 관측 한계 비교하기.
• 태양계 외부의 수축성 복합체(예: 중력은 없지만 구조가 있는 별)에서 조건에 따라 발생할 수 있는 tidal 상호작용과 잠재적 공진 중력파 방출이 중력파형에 미치는 영향 평가하기.
• 블랙홀 병합 이전에 매우 밀도 높은 매질에 블랙홀이 잠겨 있을 경우에만 EM 대응체가 감지될 수 있으며, 이는 융합을 가속화하고 관측 가능한 복사를 가능하게 한다고 제안하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 블랙홀 메트릭을 가정할 때, GW150914와 유사한 두 별질량 블랙홀의 융합 과정에서 전자기 복사가 발생할 수 있는가?
• RQ2 빛에 가까이 붕괴되는 물질을 고려한 시간에 따라 변화하는 시공간 메트릭을 포함할 경우, 병합하는 블랙홀에서 기대되는 전자기 복사에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 GW150914의 후속 관측에서 전자기 대응체가 관측되지 않은 것은 시간에 따라 변화하는 메트릭 모델과 일치하지만, 정적 메트릭 모델과는 일치하지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ4 어떤 천체물리적 조건에서 병합하는 블랙홀에서 발생하는 전자기 복사가 감지 가능해질 수 있는가?
• RQ5 미래 고감도 중력파 탐지가 웨이브폼 왜곡을 통해 표준 블랙홀과 시조가 없는 복합체를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 정적 메트릭 모델은 병합하는 블랙홀의 사건의 지평선 바로 외부에 고착된 물질에서 강력한 전자기 복사를 예측하지만, 이는 GW150914에 대한 관측된 EM 대응체의 부재와 모순된다.
• 빛에 가까이 붕괴되는 물질의 영향을 반영한 시간에 따라 변화하는 메트릭을 사용할 경우, 원거리 관측자 입장에서 모든 물질는 유한한 시간 내에 사건의 지평선을 초월하게 되며, 지속적인 EM 복사 방출을 방지한다.
• 붕괴되는 물질의 응집 시간스케일은 이중 블랙홀의 융합 시간스케일보다 훨씬 짧으며, 이는 물질이 융합 이전에 완전히 포함됨을 의미하므로 장기적인 EM 복사 방출이 불가능하다.
• ~20 태양질량의 응집된 물질에서 발생하는 약 10^55 erg/s의 빛의 세기는 과거의 급격한 방출원(GRB) 기기로 쉽게 감지되었을 것이지만, 실제로는 그러한 신호가 관측되지 않아 표준 조건 하에서는 유의미한 EM 복사 방출이 없음을 배제한다.
• 블랙홀이 병합 이전에 매우 밀도 높은 매질에 잠겨 있을 경우에만 강력한 EM 복사가 탈출하여 감지 가능해지며, 이 경우 중력파 신호는 에너지 손실 증가로 인해 변형될 것이다.
• 미래 고감도 중력파 탐지가 블랙홀 시조 근처의 물질 분포와 시공간 기하학을 탐사할 수 있으며, 진정한 블랙홀과 다른 복합체를 구별하는 데 기여할 수 있다.