[논문 리뷰] Horizon dynamics in perturbed Kerr spacetimes

Tony Chu, Harald Pfeiffer외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 11.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 3인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 입사 중력파에 의해 교란된 킬러 블랙홀의 수치 시뮬레이션을 제시하며, 최대 다섯 개인 동심의 경계 외부 포획 표면이 쌍으로 나타나고 사라지며, 어떤 시점에도 홀수 개가 존재함을 밝혀낸다. 포획 표면 세계관은 동역학적 단계에서는 시공간적 성격을 띠며, 초기 및 후기 시점에서는 영향을 받는다. 사건의 지평선은 잘 정의되어 있으며, 동역학적 영역 외부에서는 명백한 지평선과 일치한다.

ABSTRACT

We present numerical simulations of a Kerr black hole perturbed by a pulse of ingoing gravitational radiation. For strong perturbations we find up to five concentric marginally outer trapped surfaces. These trapped surfaces appear and disappear in pairs, so that the total number of such surfaces at any given time is odd. The world tubes traced out by the marginally outer trapped surfaces are found to be spacelike during the highly dynamical regime, approaching a null hypersurface at early and late times. We analyze the structure of these marginally trapped tubes in the context of the dynamical horizon formalism, computing the expansion of outgoing and incoming null geodesics, as well as evaluating the dynamical horizon flux law and the angular momentum flux law. Finally, we compute the event horizon. The event horizon is well-behaved and approaches the apparent horizon before and after the highly dynamical regime. No new generators enter the event horizon during the simulation.

연구 동기 및 목표

• 강한 동역학적, 교란된 킬러 시공간에서 경계 외부 포획 표면(MOTS)의 거동를 조사하기 위해.
• 강한 중력적 교란 하에서 경계 포획 관(MTT)의 기하학적 및 역학적 성질을 분석하기 위해.
• 비선형적이고 일시적인 시공간 영역에서 동역학적 지평선 형식의 타당성과 적용 가능성을 테스트하기 위해.
• 강한 교란이 있는 블랙홀 시스템에서 명백한 지평선과 사건의 지평선의 진화를 비교하기 위해.
• 일시적인 비선형 중력파 상호작용 기간 동안 동역학적 지평선에서의 에너지 및 운동량 유량 법칙을 평가하기 위해.

제안 방법

• 입사 중력파 펄스에 노출된 킬러 블랙홀의 수치相对론적 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 3+1 시공간 시뮬레이션에서 명백한 지평선 탐지기를 사용하여 경계 외부 포획 표면(MOTS)의 형성과 진화를 추적하기 위해.
• MTT를 따라 외향 및 내향 광선의 수축률을 계산하여 그들의 인과적 성격을 특성화하기 위해.
• MTT를 통해 에너지 및 운동량 유량의 동역학적 지평선 유량 법칙을 평가하기 위해.
• 미래의 무한한 영역에서의 영역 광선을 역방향으로 통합하여 사건의 지평선을 구성하기 위해.
• 모든 시뮬레이션 기간 동안 사건의 지평선과 명백한 지평선(MOTS)의 위치와 진화를 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 교란이 있는 킬러 블랙홀에서 최대 몇 개의 경계 외부 포획 표면이 형성되며, 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ2 교란의 동역학적 단계 동안 경계 포획 표면이 그리는 세계관의 인과적 성격은 무엇인가?
• RQ3 강한 교란 기간 동안 사건의 지평선은 얼마나 잘 정의되어 있으며, 명백한 지평선과 일치하는가?
• RQ4 일시적 비선형 중력파 상호작용 기간 동안 에너지 및 운동량의 동역학적 지평선 유량 법칙은 어떻게 행동하는가?
• RQ5 강한 동역학적 단계 동안 새로운 생성자가 사건의 지평선에 들어오는가, 아니면 전체 시뮬레이션 기간 동안 안정적인가?

주요 결과

• 강한 교란 기간 동안 최대 다섯 개의 동심 경계 외부 포획 표면이 형성되며, 쌍으로 나타나고 사라지므로, 어떤 시점에도 총 개수는 홀수이다.
• 경계 외부 포획 표면이 그리는 세계관은 강한 동역학적 단계에서는 시공간적 성격을 띠며, 초기 및 후기 시점에서는 영향을 받는다.
• 사건의 지평선은 잘 정의되어 있으며, 동역학적 영역 이전 및 이후에는 명백한 지평선과 일치한다. 시뮬레이션 기간 동안 새로운 생성자가 들어오지 않았다.
• 에너지 및 운동량의 동역학적 지평선 유량 법칙은 성공적으로 평가되었으며, 기하학적 및 역학적 구조와 일관된다.
• 명백한 지평선은 매끄럽게 진화하며 사건의 지평선을 밀접하게 따라가므로, 강한 교란 조건 하에서도 사건의 지평선이 병리적인 행동을 보이지 않음을 시사한다.
• 경계 포획 관의 구조는 복잡한 일시적 동역학을 드러내며, 비정적 비선형 영역에서도 동역학적 지평선 형식에 잘 설명된다.