[논문 리뷰] Nonlinear electrodynamics and the gravitational redshift of pulsars

Herman J. Mosquera Cuesta, J. M. Salim|arXiv (Cornell University)|2004. 03. 02.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고자기장 펄서, 특히 맥지터의 주변 시공간 기하학이 보른-인펠트 비선형 전기역학(NLED)으로 인해 어떻게 수정되는지 조사한다. 이는 진공 내 전자기적 행동의 변화에 기인하며, 이로 인해 관측 가능한 스펙트럼 선에서 감지 가능한 중력적 적색편이 이동이 발생함을 보여준다. 이는 유진-헤이젠베르크 근사 이외의 NLED의 관측 가능 서명으로서의 잠재적 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

The idea that the nonlinear electromagnetic interaction, i. e., light propagation in vacuum, can be geometrized was developed by Novello et al. (2000) and Novello & Salim (2001). Since then a number of physical consequences for the dynamics of a variety of systems have been explored. In a recent paper Mosquera Cuesta & Salim (2003) presented the first astrophysical study where such nonlinear electrodynamics (NLEDs) effects were accounted for in the case of a highly magnetized neutron star or pulsar. In that paper the NLEDs was invoked {\\it a l\\`a} Euler-Heisenberg, which is an infinite series expansion of which only the first term was used for the analisys. The immediate consequence of that study was an overall modification of the space-time geometry around the pulsar, which is ``perceived'', in principle, only by light propagating out of the star. This translates into an significant change in the surface redshift, as inferred from absorption (emission) lines observed from a super magnetized pulsar. The result proves to be even more dramatic for the so-called magnetars, pulsars endowed with magnetic ($B$) fields higher then the Schafroth quantum electrodynamics critical $B$-field. Here we demonstrate that the same effect still appears if one calls for the NLEDs in the form of the one rigorously derived by Born & Infeld (1934) based on the special relativistic limit for the velocity of approaching of an elementary particle to a pointlike electron [From the mathematical point of view, the Born & Infeld (1934) NLEDs is described by an exact Lagrangean, whose dynamics has been successfully studied in a wide set of physical systems.].

연구 동기 및 목표

• 고자기장 중성자별 주변의 시공간 기하학에 보른-인펠트 비선형 전기역학(NLED)이 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이전에 유효한 에이우러-헤이젠베르크 근사를 통해 연구된 NLED 효과가 더 엄밀한 보른-인펠트 라그랑지안 프레임워크 하에서도 유지되는지 평가하기 위해.
• 이러한 NLED에 의한 기하학적 수정이 펄서의 스펙트럼 선에서 관측 가능한 중력적 적색편이 변화를 유도하는지 결정하기 위해.
• 자기장이 슈윙거 임계 자기장보다 높은 맥지터에서 NLED의 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 비선형 전기역학의 기초로 정확한 보른-인펠트 라그랑지안을 채택하여 고전적 전개를 피하기 위해.
• 보른-인펠트 NLED 프레임워크를 사용하여 펄서에서 일반적인 강한 자기장 조건에서의 진공 극화 효과를 모델링하기 위해.
• NLED로 인해 수정된 전자기 스트레스-에너지 텐서에 기반해 펄서 주변 시공간 메트릭의 수정을 유도하기 위해.
• 수정된 메트릭을 사용하여 스펙트럼 선의 중력적 적색편이를 분석하고, 일반 상대성 이론 예측과 비교하기 위해.
• 자기장이 약 4.4×10^13 G 수준의 슈윙거 임계 자기장에 도달하거나 이를 초월하는 맥지터의 영역에 집중하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보른-인펠트 형태의 비선형 전기역학은 펄서에서 측정 가능한 중력적 적색편이 변화를 유도하는가?
• RQ2 정확한 보른-인펠트 라그랑지안을 포함할 경우, 에이우러-헤이젠베르크 근사와 비교해 시공간 기하학은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 맥지터에서의 NLED 효과는 방출 또는 흡수 선의 관측된 적색편이에 감지 가능한 이동을 유도할 수 있는가?
• RQ4 NLED에 의해 유도된 기하학적 수정은 이론이 예측하는 바와 같이 빛의 진공을 통한 전파에 의해만 관측되는가?

주요 결과

• 보른-인펠트 NLED 프레임워크는 고자기장 펄서 주변의 시공간 기하학에 상당한 수정을 초래한다.
• 이 기하학적 변화는 자기장이 슈윙거 임계 자기장 이상일 경우에도 스펙트럼 선에서 유추되는 측정 가능한 중력적 적색편이 이동을 초래한다.
• 정확한 보른-인펠트 라그랑지안을 사용할 경우에도 효과가 유지되어, 이 결과가 고전적 에이우러-헤이젠베르크 근사의 산물이 아님을 확인한다.
• 수정은 유일하게 진공을 통과하는 빛에 의해 감지되며, 이는 NLED가 진공의 광학적 성질을 변화시킨다는 개념과 일치한다.
• 연구는 맥지터의 극도로 강한 자기장 덕분에 NLED 효과가 더욱 두드러지며, 이는 비선형 전기역학을 시험하기 위한 이상적인 후보임을 확인한다.