[논문 리뷰] Modified Kerr black holes surrounded by dark matter spike

Salvatore Capozzıello, Soroush Zare외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 21.

Black Holes and Theoretical Physics인용 수 10

한 줄 요약

논문은 Kerr-유사 블랙홀을 다크 매터 스파이크 내에서 Bumblebee 중력과 글로벌 모노폴을 이용해 모델링하고, 수정된 TOV 및 Newman-Janis 방법으로 Schwarzschild-유사 및 회전 해를 도출하며, EHT 관측의 M87* 및 Sgr A*를 사용해 BGGM 매개변수를 제약한다.

ABSTRACT

We study supermassive black holes (SMBH), surrounded by a dark matter (DM) spike, that can be found at the centers of Milky Way and $ ext{M87}$ galaxies and are accompanied by a specific kind of topological defect. The investigation is developed within the framework of Bumblebee Gravity with a global monopole (BGGM). The dark matter spike is described by a power-law density profile. Our main objective is to assess how the background arising from spontaneous Lorentz symmetry breaking and the presence of a global monopole influence the properties of the Kerr BH within the region affected by the spike. Using a spherically symmetric static BH with BGGM properties as the seed metric, we construct a non-rotating spacetime with a DM spike, resulting in a BGGM-motivated Schwarzschild-like BH by solving the modified Tolman-Oppenheimer-Volkoff equations (TOV). Next, we extend this approach to the case of a rotating spacetime resulting in the BGGM-motivated Kerr-like BH (BGMKLBH). This approach allows us to explore the spacetime structure, and the BGMKLBH shadows. Then, using available observational data for the DM spike density and considering the effects of BGGM on $ ext{Sgr A}^{*}$ and $ ext{M87}^{*}$ SMBHs, we analyse the shapes of their shadows and put constraints on the BGGM parameter. Thus, we infer that the BGMKLBHs could be reliable candidates for the astrophysical BHs.

연구 동기 및 목표

• 자 spontaneous Lorentz 대칭 깨짐과 글로벌 모노폴이 다크 매트 스파이크에서 블랙홀 시공에 미치는 영향을 평가한다.
• DM 스파이크를 가진 BGGM 블랙홀 해를 두 가지 접근법(수정된 TOV 및 수정된 Einstein 방정식)을 사용하여 Schwarzschild-유사 및 Kerr-유사 BGGM 블랙홀 해를 구성한다.
• 수정된 Newman-Janis 알고리즘을 통해 회전 시공으로 확장하고, 지평선, 정적 한계면, 에르고리전, 그림자를 분석한다.
• DM 스파이크 매개변수와 BGGM 결합이 그림자 모양과 크기에 미치는 영향을 결정하고 EHT 관측과 비교해 BGGM를 제약한다.

제안 방법

• 구형 대칭 BGGM 시드 해를 시작점으로 하고 파워-법 밀도 프로파일을 가진 DM 스파이크를 도입한다.
• 수정된 Tolman-Oppenheimer-Volkoff(TOV) 방정식을 풀어 BGMSLBH 메트릭스를 얻는다.
• 또는 XHGW 방법으로 DM 스파이크와 BGGM 에너지-운동량 기여를 포함하는 수정된 Einstein 방정식을 푼다.
• 수정된 Newman-Janis 알고리즘을 사용해 회전 메트릭으로 확장하여 BGMKLBH 시공을 얻는다.
• 스파이크 영역에서 지평선, 정적 한계면, 에르고 영역, 그림자를 분석한다.
• M87* 및 Sgr A*의 EHT 그림자 관측치를 사용해 BGGM 매개변수 q를 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BGGM 효과와 다크 매터 스파이크가 Schwarzschild-유사 블랙홀의 지평선 구조와 인과 영역에 어떤 변화를 주는가?
• RQ2 회전 BGGM 블랙홀의 그림자 형태와 크기에 BGGM 매개변수와 DM 스파이크가 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 M87*와 Sgr A*의 EHT 관측이 DM 스파이크 프레임워크 내에서 BGGM 매개변수를 제약할 수 있는가?
• RQ4 두 가지 분석 접근(TOV 수정 기반 vs XHGW 기반)이 BGMSLBH/BGMKLBH 시공 예측에 있어 얼마나 일치하는가?
• RQ5 결과 그림자가 EHT 제약하에 Kerr 예측과 일치하는가?

주요 결과

• BGGM 매개변수와 DM 스파이크가 지평선 위치 및 그림자 특성을 Schwarzschild/Kerr 케이스에 비해 변화시킨다.
• 회전 BGMSLBH 시공(BGMKLBH)은 q와 ρ_sp로 인해 지평선, SLS, 에르고 영역이 달라진다.
• 그림자 변형과 크기는 스핀 파라미터 a와 BGGM 매개변수 q에 의존한다.
• M87* 및 Sgr A*의 EHT 그림자 데이터는 BGMKLBH와의 중첩 가능한 매개변수 공간을 허용하여 BGGM 블랙홀의 천체 물리적 후보 가능성을 시사한다.
• 두 가지 구성 방법(TOV 기반 및 XHGW 기반)은 스파이크 영역에서 BGMSLBH/BGMKLBH 해를 제공하며 제약 분석을 가능하게 한다.