[논문 리뷰] On the question of trapped surfaces and black holes

Abhas Mitra|arXiv (Cornell University)|2001. 05. 30.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론에서 물질 입자의 세계선이 시간적인 성격을 가져야 한다는 기본 원칙과 충돌하기 때문에 블랙홀(BHs)이 존재할 수 없다고 주장한다. 대신 관측된 블랙홀 후보(BHCs)는 특이점을 피하는 딱단단한 표면을 가진 '영원한 밀도 높은 물체(ECOs)'일 것이라 제안한다. 이러한 ECOs는 높은 레이저 요인 γ ~ 몇 개 수준의 상대론적 플라즈마 유동을 통해 딱딱한 X선 尾를 설명할 수 있으며, BH가 갖는 무한한 고유 길이 역설을 피하기 위해 R → 0일 때 M(r) → 0이 되도록 요구한다.

ABSTRACT

There are many observational evidences for the detection of compact objects with masses significantly larger (in galactic cases) or much larger (in extragalactic cases) than the upper limits of masses of em cold Neutron Stars. Such compact objects are commonly interpreted as Black Holes (BHs). However, we point out that while such Black Hole Candidates (BHCs) must be similar to BHs in many respects they, actually, can not be BHs because existence of Black Holes would violate the basic tenet of the General Theory of Relativity that the worldline of a material particle must be TIMELIKE at any regular region of spacetime. We arrive at this unique conclusion by approaching the problem from various directions. We feel that such ``operational'' Black Holes could be able to explain hard X-ray tail found in the galactic BHCs because Lorentz factor of the plasma accreting on such objects should be considerably higher than the corresponding NS case.

연구 동기 및 목표

• 일반 상대성 이론에서 입자의 세계선이 시간적인 성격을 가져야 한다는 조건과 사건의 지평선을 가진 블랙홀 존재 간의 모순을 해결하기 위해.
• 표준 블랙홀 순환 물리학을 도입하지 않고도 은하 블랙홀 후보에서 관측된 딱딱한 X선 尾를 설명하기 위해.
• 일반 상대성 이론 하에서 구형 대칭 중력 수축 동안 트랩프드 서피스가 형성될 수 없음을 증명하기 위해.
• 관측된 BHCs가 진정한 블랙홀이 아니라 특이점을 피하는 딱단단한 표면을 가진 밀도 높은 물체일 수 있음을 제안하기 위해.
• X선 발광도와 편광과 같은 관측 데이터를 비-BH 모델, 예를 들어 ECOs 또는 자가중력 작용 페르미온 볼과 조화시키기 위해.

제안 방법

• 고정된 둘레 좌표 R를 사용하는 구형 대칭 시공간 계량을 사용하여 반경 방향 세계선을 분석한다.
• 시간적인 지오데식선에 대해 ds² ≥ 0 조건을 적용하여 g₀₀와 g₁₁에 대한 제약 조건을 유도하며, V ≤ 1이면 g₀₀ ≥ 0임을 보여준다.
• 공동 좌표(r,t)를 사용하여 구형 중력 수축을 분석하고, Γ² = 1 + U² - 2GM(r)/R의 제약 조건을 유도한다.
• Γ와 U를 각각 dR/dl과 dR/dτ로 재해석하여 제약 조건을 Γ²(1 - V²) = 1 - 2GM(r)/R 형태로 표현한다.
• 우변이 ≥ 0이어야 하므로 2GM(r)/R ≤ 1이 되며, 이는 구형 수축에서 트랩프드 서피스가 형성될 수 없음을 증명한다.
• 진정한 블랙홀 특이점은 R → 0일 때 M(r) → 0이 되어야 하며, 이는 중심에서 중력 질량이 0임을 의미한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반 상대성 이론 하에서 구형 대칭 중력 수축 동안 트랩프드 서피스가 형성될 수 있는가?
• RQ2 블랙홀의 사건의 지평선 존재가 물질 입자의 세계선이 시간적인 성격을 가져야 한다는 조건을 위반하는가?
• RQ3 관측된 블랙홀 후보(BHCs)는 진정한 블랙홀 이외의 물체로 설명될 수 있는가?
• RQ4 밀도 높은 물체에 대한 순환 유동에서 도달할 수 있는 최대 레이저 요인은 얼마이며, 이는 딱딱한 X선 尾를 설명할 수 있는가?
• RQ5 Sgr A*와 같은 BHC에서 관측된 X선 방출은 순환에 의한 것인지, 아니면 ECO에서 발생하는 동기방출에 의해 더 잘 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 트랩프드 서피스가 구형 대칭 중력 수축에서 형성될 수 없는 이유는 시간적인 세계선 조건에 의해 2GM(r)/R ≤ 1이 필요하기 때문이다.
• 진정한 블랙홀은 중심 특이점에서 중력 질량가 0이 되어야 하며, 이는 유한 질량 블랙홀 존재와 모순된다.
• 수축의 최종 특이점에서는 R → 0일 때 M(r) → 0이 되어야 하며, 이는 중심 물체가 질량이 큰 특이점이 아니라는 것을 의미한다.
• ECOs에 대한 순환 유동은 γ ~ 몇 개 수준의 레이저 요인을 도달할 수 있으며, 이는 딱딱한 X선 尾를 설명하는 데 충분하며, γ ~ 1.1 수준의 표준 중성자별과는 다르다.
• ADAF 순환보다는 동기방출이 AGN과 Sgr A*와 같은 BHC의 저발광도 X선 방출을 더 잘 설명한다. 특히 관측된 편광과 발광도 제약 조건를 고려할 때 더욱 그렇다.
• 초거대 블랙홀 후보 Sgr A*는 질량 mf ~ 15.9 keV인 약한 상호작용 페르미온의 자가중력 작용 볼로 더 잘 설명될 수 있으며, 이는 관측된 질량과 운동학과 일치한다.