[논문 리뷰] Electromagnetic counterparts to gravitational waves from black hole mergers and naked singularities

Daniele Malafarina, Pankaj S. Joshi|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 09.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이중 블랙홀 융합 과정에서 시공간의 위상 변화로 인해 형성된 일시적인 노출된 싱귤러리티가 LIGO 중력파 신호 GW150914의 전자기적 대응체가 될 수 있다고 제안한다. 짧은 기간 동안 존재하는 노출된 싱귤러리티는 표준 블랙홀 융합보다 훨씬 더 효율적인 적축원반 복사원으로 이어지며, 이는 에딩턴 한계를 초월하는 복사원을 가능하게 하여 페르미가 탐지한 폭발의 높은 관측 복사원을 자연스럽게 설명한다.

ABSTRACT

We consider the question here whether the proposed electromagnetic counterpart of the gravitational wave signals in binary black hole coalescence may be due to the appearance of a `short lived' naked singularity during the merger. We point out that the change in topology that the spacetime undergoes during the merger can cause the appearance of a naked singularity. In case some matter, in the form of a small accretion disk, is present in the surroundings of the black hole system then the emitted luminosity during the merger would allow to distinguish the scenario where the naked singularity forms from the scenario where the horizon exists at all times. In fact the emitted luminosity spectrum would be much higher in the case where a naked singularity forms as opposed to the `pure' black hole case. We suggest that the presence of such a transient naked singularity will explain the high luminosity of an electromagnetic counterpart during the merger much more easily.

연구 동기 및 목표

• 관측된 GW150914의 고복사원 전자기 대응체가 이중 블랙홀 융합 과정에서 형성된 일시적인 노출된 싱귤러리티에서 기인할 수 있는지 조사하기.
• 블랙홀 융합 과정에서 시공간 위상 변화가 노출된 싱귤러리티를 유도하는 역할을 하는지 분석하기.
• 블랙홀 및 노출된 싱귤러리티 시나리오 간 적축원반 복사원을 비교하여 관측적으로 구별 가능한지 평가하기.
• 전자기 폭발의 지속시간과 복사원이 일시적인 싱귤러리티의 수명과 성격을 제약하는 데 기여할 수 있는지 탐색하기.
• 이러한 사건들이 싱귤러리티 근처에서의 양자중력 효과를 관측적으로 탐구할 잠재적 수단이 될 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 시공간의 위상 변화가 블랙홀 융합 과정에서 어떤 영향을 미치는지 분석하며, Geroch와 Tipler의 정리에 기반하여 위상 변화가 시공간의 싱귤러리티와 연결됨을 고려한다.
• 우주의 감시가정설과 Joshi의 결과를 적용하여 위상 변화가 블랙홀 융합 과정에서 일시적인 싱귤러리티 형성을 암시함을 주장한다.
• 표준 에딩턴 한계와 상대론적 적축원반 이론을 사용하여 적축원반 복사원을 모델링하며, 중심 천체의 성격에 따라 내부 안정 원궤도(ISCO)에 미치는 영향을 특별히 고려한다.
• 노출된 싱귤러리티 시나리오의 복사원 스펙트럼을 평가하여, 사건의 지평선이 없기 때문에 더 높은 복사 효율성이 가능함을 보여준다.
• 관측된 복사원(~10^49 erg/s)을 생성하기 위해 필요한 적축률을 추정하고, 블랙홀의 경우 기대되는 값과 비교한다.
• 폭발 지속시간을 사건의 지평선 형성과 각운동량 소실의 특징적 시간스케일과 연결하며, 이는 양자중력 척도와 관련이 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙홀 융합 과정에서 위상 변화가 일시적인 노출된 싱귤러리티 형성으로 이어질 수 있는가?
• RQ2 블랙홀 시나리오와 노출된 싱귤러리티 시나리오 간 적축원반 복사원은 어떻게 다를까?
• RQ3 GW150914와 연관된 페르미의 감마선 폭발이 블랙홀이 아닌 일시적인 노출된 싱귤러리티에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 노출된 싱귤러리티가 관측된 전자기 폭발 복사원을 생성하기 위해 필요한 적축률은 얼마인가?
• RQ5 전자기 폭발의 지속시간이 양자중력 척도 또는 노출된 싱귤러리티의 수명에 제약을 줄 수 있는가?

주요 결과

• Geroch와 Tipler의 정리 및 Joshi의 증명에 따르면, 이중 블랙홀 융합 과정에서의 위상 변화는 노출된 싱귤러리티 형성을 암시한다.
• 노출된 싱귤러리티 시나리오에서는 사건의 지평선이 없기 때문에 적축원반 복사원이 크게 증가하며, ISCO 반경이 0에 가까워질수록 복사원 스펙트럼이 발산함을 보여준다.
• 일시적인 노출된 싱귤러리티는 10^-5 M☉/sec의 낮은 적축률로도 약 ~10^49 erg/s의 복사원을 생성할 수 있으며, 이는 블랙홀이 이 복사원을 달성하기 위해 필요한 양보다 훨씬 낮은 수준이다.
• 관측된 페르미 폭발 복사원은 60 M☉ 블랙홀의 에딩턴 한계를 10개 항목 초과하여, 블랙홀에 대한 극도의 적축보다는 노출된 싱귤러리티 시나리오가 더 타당하다는 것을 시사한다.
• 전자기 폭발의 지속시간은 사건의 지평선 형성과 각운동량 소실의 특징적 시간스케일과 일치할 것으로 예상되며, 이는 양자중력 척도와 관련이 있다.
• 복사원과 폭발 지속시간의 관측 비교를 통해 블랙홀 융합과 일시적인 노출된 싱귤러리티 형성을 구별할 수 있으며, 이는 양자중력 효과를 검증할 수 있는 기회를 제공한다.