[논문 리뷰] Mirages around Kerr black holes and retro-gravitational lenses

A. F. Zakharov, Achille Nucita외 2명|arXiv (Cornell University)|2004. 11. 17.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 46

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀의 회전과 질량을 측정하기 위해 RADIOASTRON 임무를 활용한 전파 간섭계를 통해 케러 블랙홀 근처에서 발생하는 후방광선(역광선)에 의해 형성되는 중력 미라지(빛나는 이미지)를 관측하는 방법을 제안한다. 특히 공전하는 광선으로 인한 밝은 아치를 분석함으로써 스핀 매개변수와 기울기 각도를 추론할 수 있으며, 이는 블랙홀 사건의 지평선 근처에서의 강력한 중력장을 모델에 종속되지 않은 방식으로 탐색할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Recently Holz & Wheeler (2002) considered a very attracting possibility to detect retro-MACHOs, i.e. retro-images of the Sun by a Schwarzschild black hole. In this paper we discuss glories (mirages) formed near rapidly rotating Kerr black hole horizons and propose a procedure to measure masses and rotation parameters analyzing these forms of mirages. In some sense that is a manifestation of gravitational lens effect in the strong gravitational field near black hole horizon and a generalization of the retro-gravitational lens phenomenon. We analyze the case of a Kerr black hole rotating at arbitrary speed for some selected positions of a distant observer with respect to the equatorial plane of a Kerr black hole. We discuss glories (mirages) formed near rapidly rotating Kerr black hole horizons and propose a procedure to measure masses and rotation parameters analyzing these forms of mirages. Some time ago Falcke et al. (2000) suggested to search shadows at the Galactic Center. In this paper we present the boundaries for shadows calculated numerically. We also propose to use future radio interferometer RADIOASTRON facilities to measure shapes of mirages (glories) and to evaluate the black hole spin as a function of the position angle of a distant observer.

연구 동기 및 목표

• 케러 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 후방광선에 의해 형성되는 중력 미라지의 형태를 이용해 블랙홀 질량과 스핀 매개변수를 측정하는 방법을 개발하는 것.
• 스카우지르 블랙홀을 초월해 고속으로 회전하는 케러 블랙홀을 포함한 후방중력 렌즈 개념을 일반화하는 것.
• 미래의 전파 간섭계(예: RADIOASTRON)를 통해 은하수 중심 블랙홀인 Sgr A*의 경우에 미라지 형태를 탐지할 수 있는지 가능성 평가하는 것.
• 특정 낙착 모델을 가정하지 않고 블랙홀 사건의 지평선 근처의 강력한 중력장을 모델에 종속되지 않은 방식으로 탐색할 수 있는 방법을 제공하는 것.
• 플라즈마 산산각산 효과와 관측 해상도가 미라지 특징의 탐지 가능성에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 고도로 굴절되는 각도를 갖는 후방광선에 대응하는 임계 영향 매개변수를 결정하기 위해 케러 계량에서 광선의 지오데식을 수치적으로 계산하는 것.
• 광자 구역 근처의 다중 광선 궤도에 의해 형성되는 준환형의 형태로 된 미라지 형태를 모델링하며, z축을 기준으로 반사 대칭성을 갖는다.
• 관측자 위치(기울기 각도)와 블랙홀 스핀 매개변수(a)에 따른 미라지 형태의 의존성을 분석하며, 특히 공전하는 광선(α > 0)에 초점을 맞춘다.
• RADIOASTRON 위성 간섭계의 각도 해상도(기준선 길이 최대 3.2×10⁶ km)를 활용해 미라지 구조의 탐지 가능성 평가.
• 일반적인 파arameter에 대해 l ≈ 4.4×10³–10⁴ km의 산산각산 길이 척도를 사용해 간섭계의 플라즈마 산산각산 효과가 이미지 확산에 미치는 영향 평가.
• 수치적 결과를 기존의 X선 및 전파 플레어 관측 결과와 비교하여 Sgr A*의 내부 영역에서 발생할 수 있는 방출과의 일관성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 케러 블랙홀 근처에서 후방광선에 의해 형성된 미라지 형태는 블랙홀의 질량과 스핀 매개변수 측정에 사용될 수 있는가?
• RQ2 관측자의 위치가 블랙홀의 자전축과 적도면에 대해 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 RADIOASTRON 위성 전파 간섭계를 통해 미라지 특징을 탐지할 수 있는 임계 조건은 무엇인가?
• RQ4 플라즈마 산산각산 효과와 장비의 해상도가 미라지 이미지의 미세 구조 관측에 어떤 제한을 끼치는가?
• RQ5 공전하는 광선(α > 0)의 밝은 아치는 신호 대 잡음비가 충분하여 신뢰할 수 있는 스핀 및 기울기 측정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 케러 블랙홀 근처의 미라지 형태는 고도로 굴절된 후방광선에 의해 형성되는 준환형이며, 이 형태는 블랙홀 스핀 매개변수 a와 관측자 기울기 각도 θ₀에 매우 민감하게 의존한다.
• 고속으로 회전하는 블랙홀(a ≈ 1)의 경우, 공전하는 광선에서 유도된 밝은 아치의 형태를 통해 스핀 매개변수 a와 관측자 기울기 θ₀를 신뢰성 있게 추정할 수 있다.
• RADIOASTRON의 각도 해상도(기준선 길이 최대 3.2×10⁶ km)는 미라지 구조를 해상할 수 있을 정도로 충분하며, 이는 직접적으로 블랙홀 매개변수 측정이 가능함을 의미한다.
• 플라즈마 산산각산은 특성 척도 l ≈ 4.4×10³–10⁴ km로 이미지를 확산시킬 수 있으나, 이는 탐지에 있어 금기되는 수준은 아니며 여전히 탐지 가능하다.
• 느린 스핀 블랙홀(a ≤ 0.5)의 경우, 미라지 형태는 스핀과 기울기에 대해 약한 의존성을 보이며, 형태만으로는 매개변수 추정이 어렵다.
• 서브 마이크로아크초 해상도(예: 0.1×10⁻⁶ arcsec)를 갖는 X선 간섭계는 X선 미라지를 탐지할 수 있으며, 이는 관측 대역의 대안이 될 수 있다.