[논문 리뷰] Gravitational Lensing in Plasmic Medium

Г. С. Бисноватый-Коган, Oleg Yu. Tsupko|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 기하광학에서 해밀토니안 접근법을 사용하여 구형 대칭 플라즈마 매질 내에 있는 슈바르츠실트 블랙홀에 의한 광자의 굴절을 정확한 공식으로 유도한다. 그 결과, 중력 렌즈 효과가 플라즈마의 분산과 굴절 효과로 인해 색산성(색별)이 되며, 굴절 각도가 광자의 주파수에 의존함을 보여준다 — 이는 균일한 플라즈마에서도 성립하며, 진공 렌즈와는 달리 색산성이 된다.

ABSTRACT

The influence of plasma on different effects of gravitational lensing is reviewed. Using the Hamiltonian approach for geometrical optics in a medium in the presence of gravity, an exact formula for the photon deflection angle by a black hole (or another body with a Schwarzschild metric) embedded in plasma with a spherically symmetric density distribution is derived. The deflection angle in this case is determined by the mutual combination of different factors: gravity, dispersion, and refraction. While the effects of deflection by the gravity in vacuum and the refractive deflection in a nonhomogeneous medium are well known, the new effect is that, in the case of a homogeneous plasma, in the absence of refractive deflection, the gravitational deflection differs from the vacuum deflection and depends on the photon frequency. In the presence of a plasma nonhomogeneity, the chromatic refractive deflection also occurs, so the presence of plasma always makes gravitational lensing chromatic. In particular, the presence of plasma leads to different angular positions of the same image if it is observed at different wavelengths. It is discussed in detail how to apply the presented formulas for the calculation of the deflection angle in different situations. Gravitational lensing in plasma beyond the weak deflection approximation is also considered.

연구 동기 및 목표

• . 진공 근사 이론을 넘어서 플라즈마가 중력 렌즈에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• . 슈바르츠실트 계량 내에 존재하는 구형 대칭 플라즈마에서 광자의 굴절 각도에 대한 정확한 표현을 유도하기 위해.
• . 중력 렌즈가 플라즈마에서 주파수에 따라 변하는 굴절으로 인해 색산성이 되는 것을 입증하기 위해.
• . 총 굴절 각도를 결정하는 중력, 분산, 굴절 간의 상호작용을 분석하기 위해.
• . 현실적인 천체물리적 조건을 고려하기 위해 약한 굴절 근사 이론을 초월한 분석을 확장하기 위해.

제안 방법

• . 곡률이 있는 시공간 내에서 매질이 존재하는 기하광학에 대한 해밀토니안 체계를 사용한다.
• . 플라즈마를 주파수에 따라 변하는 굴절률을 가지는 구형 대칭, 분산성, 비균일한 매질로 모델링한다.
• . 해밀토니안에서 유도된 광선 방정식을 해결하여 총 굴절 각도를 계산한다.
• . 굴절 계산에서 중력(Schwarzschild 계량), 분산, 굴절의 기여를 분리한다.
• . 색산성 효과를 분리하기 위해 균일한 플라즈마와 비균일한 플라즈마의 경우를 모두 고려한다.
• . 약한 굴절 근사 이론을 초월하여 강한장 효과를 포함한 분석으로 결과를 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 플라즈마는 진공과 비교해 광자의 중력 굴절에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 . 구형 대칭 플라즈마 내에 있는 슈바르츠실트 블랙홀 근처를 통과하는 광자의 정확한 굴절 각도는 무엇인가?
• RQ3 . 밀도 기울기가 없더라도 플라즈마에서 중력 렌즈가 왜 색산성이 되는가?
• RQ4 . 분산과 굴절은 플라즈마에서 주파수에 따라 변하는 굴절에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 . 다중 파장 관측에 있어 색산성 렌즈의 결과는 어떤 의미가 있는가?

주요 결과

• . 균일한 플라즈마에서 굴절 각도는 진공 굴절과 다를 뿐 아니라 광자의 주파수에 직접적으로 의존한다.
• . 비균일한 플라즈마에서는 주파수에 따라 변하는 굴절률로 인해 굴절 효과가 색산성이 된다.
• . 플라즈마 내 중력 렌즈는 본질적으로 색산성이며, 이는 이미지 위치가 파장에 따라 달라짐을 의미한다.
• . 총 굴절 각도는 중력, 분산, 굴절 효과의 분리 불가능한 조합에 기인한다.
• . 유도된 공식은 약한 굴절 한계를 초월하여 강한장 렌즈 분석에도 적용 가능하다.
• . 플라즈마 내 렌즈의 색산성 특성은 다중 파장 관측을 통해 플라즈마의 구조와 전자 밀도 프로파일을 밝힐 수 있음을 시사한다.