[논문 리뷰] Electric charge of black holes: Is it really always negligible?

Michal Zajaček, Arman Tursunov|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 09.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 천체물리 모델에서 블랙홀 전하가 무시 가능하다는 광범위한 가정을 도전한다. 조그만 전하—은하계 중심 블랙홀의 경우 약 10⁸ C—조차도 입자(예: 우주선)에 작용하는 전자기력이 중력보다 최대 16배 강할 수 있음을 보여주며, 이는 입자의 역학과 ISCO 위치를 크게 변화시켜 고에너지 천체물리학과 다중 메시저 천문학에서 전하를 무시할 수 없는 요소로 만든다.

ABSTRACT

We discuss the problem of the third black hole parameter, an electric charge. While the mass and the spin of black holes are frequently considered in the majority of publications, the charge is often neglected and implicitly set identically to zero. However, both classical and relativistic processes can lead to a small non-zero charge of black holes. When dealing with neutral particles and photons, zero charge is a good approximation. On the other hand, even a small charge can significantly influence the motion of charged particles, in particular cosmic rays, in the vicinity of black holes. Therefore, we stress that more attention should be paid to the problem of a black-hole charge and hence, it should not be neglected a priori, as it is done in most astrophysical studies nowadays. The paper looks at the problem of the black-hole charge mainly from the astrophysical point of view, which is complemented by a few historical as well as philosophical notes when relevant. In particular, we show that a cosmic ray or in general elementary charged particles passing a non-neutral black hole can experience an electromagnetic force as much as sixteen times the gravitational force for the mass of the Galactic centre black hole and its charge being seventeen orders of magnitude less than the extremal value (calculated for a proton). Furthermore, a Kerr-Newman rotating black hole with the maximum likely charge of 1 Coulomb per solar mass can have the position of its innermost stable circular orbit (ISCO) moved by both rotation and charge in ways that can enhance or partly cancel each other, putting the ISCO not far from the gravitational radius or out at more than 6 gravitational radii. An interpretation of X-ray radiation from near the ISCO of a black hole in X-ray binaries is then no longer unique.

연구 동기 및 목표

• 블랙홀 전하가 무시 가능하며 0으로 설정할 수 있다는 일반적인 천체물리학적 가정을 도전하기 위해.
• 열역학적 및 상대론적 메커니즘을 통해 블랙홀이 비영인 전하를 얻을 수 있는 물리적 메커니즘을 조사하기 위해.
• 비영인 블랙홀 전하가 양성자 및 전자와 같은 충전 입자의 운동에 미치는 관측 가능한 영향을 평가하기 위해.
• 블랙홀 전하가 안정한 원형 궤도의 내측 경계(ISCO) 위치에 어떻게 영향을 미치는지 조사하여 X선 방출의 해석을 복잡하게 만들기 위해.
• 모델링에서 블랙홀의 질량과 에너지 추출 과정에 전하가 중요한 매개변수로 고려되어야 한다고 주장하기 위해.

제안 방법

• 보존적인 중력장과 전기장 내에서 거대한 물체의 평형 전하-질량 비율을 맥스웰-볼츠만 분포를 사용해 분석하고, Qeq/M• ≈ 76.9 C/M⊙를 유도함.
• 워드의 1974년 메커니즘을 적용하여 외부 자기장에 잠긴 회전 블랙홀에서 전하 유도를 모델링함. Q• = 2a•M•Bext.
• 전하가 있고 회전하는 블랙홀의 시공간을 기술하기 위해 케르-뉴먼 계량을 사용하고, 충전된 시험 입자에 대한 ISCO를 계산함.
• 블랙홀 근처의 양성자와 전자에 작용하는 전기력과 중력의 비율을 비교하여, Q• ≈ 10⁸ C 및 M• ≈ 4×10⁶ M⊙ 조건에서 Felstat/Fgrav ≈ 16임을 확인함.
• 전자와 양성자에 대해 블랙홀 전하에 따른 ISCO 위치도(그림 1)를 작성하여 전하에 따라 최대 9중력 반지름 이동함을 보임.
• 스핀, 전하, 자기장이 ISCO 이동에 기여하는 데 있어 상호 간섭성(디제너러시)이 발생함을 평가하여 X선 빛의 변화곡선에 대한 해석이 유일하지 않음을 밝힘.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열역학적 또는 상대론적 메커니즘을 통해 블랙홀이 비영인 전하를 가질 수 있는가?
• RQ2 작은 비영인 전하를 가진 블랙홀 근처에서 충전 입자(예: 양성자)에 작용하는 전자기력이 중력보다 얼마나 강한가?
• RQ3 전하가 블랙홀 스핀이 ISCO 위치에 미치는 영향을 어느 정도 모방하거나 변화시킬 수 있는가?
• RQ4 X선 이진성 또는 은하계 중심에서 관측된 ISCO는 스핀 때문일 수밖에 없으며, 전하 또는 자기장이 원인이 될 수 있는가?
• RQ5 비영인 블랙홀 전하가 초고에너지 우주선 기원에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 질량 4×10⁶ M⊙, 전하 10⁸ C를 가진 블랙홀 근처의 양성자에 작용하는 전기력은 중력보다 16배 강하다.
• 전하 3.3×10⁵ C를 가진 블랙홀은 전자의 ISCO를 9중력 반지름으로 이동시켜 후진 스핀처럼 보이게 한다.
• 양성자에 대해서는 음성 전하 -6.0×10⁸ C 또는 양성 전하 +5.07×10⁹ C가 동일하게 ISCO를 9rg로 이동시킬 수 있다.
• 핵심 주변 자기장 존재는 ISCO를 이동시켜 전하와 스핀에 의한 ISCO 이동과 해석상의 혼동을 유도한다.
• 비회전 블랙홀의 경우 전하만으로도 ISCO가 6rg에서 9rg로 이동할 수 있으며, 이는 매우 작은 전하에서도 가능하다.
• 블랑드포르-즈나예크 메커니즘은 전자기장에 의해 블랙홀의 회전 에너지를 추출하는 것으로, 이는 블랙홀 전하가 제트 형성에 필수적임을 시사한다.