[논문 리뷰] Pulsars as a tool to detect event horizons

Prashant Kocherlakota, Sudip Bhattacharyya외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 10.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 밀집된 천체 근처에서 발생하는 프레임 드래깅으로 인한 펄서 스핀 프리세션을 이용해 사건의 지평선을 탐지하는 도구로 활용하는 것을 제안한다. 블랙홀에 가까이 도달할수록 펄서의 스핀 프리세션 속도가 급격히 증가하여 펄스 주파수와 중력파 방출이 감지 가능한 수준으로 증가하게 되며, 이는 낙법 없는 싱귤러리티 근처의 행동과는 상당히 다름으로써 전자기파 및 중력파 서명을 통해 지평선 탐지가 가능하다.

ABSTRACT

Spinning collapsed objects like Kerr black holes or naked singularities cause the spin axes of pulsars in their vicinity to precess significantly due to frame-dragging. Here we report that the spin-precession rate, and hence the observed pulse rate, of such a pulsar moving in a circular orbit near an event horizon rises sharply as the orbit shrinks. This provides a new way to detect such a horizon, not only from an observed high electromagnetic pulse rate, but also from a plausible detection of gravitational waves due to the increased pulsar spin. The pulsar, approaching the event horizon, should eventually be disrupted causing a new astronomical phenomenon, which we call a spin-precessional disruption event (SPDE). We argue that a significant difference between the radioactive glow of an SPDE and that of a tidal disruption event of a pulsar near a naked singularity could distinguish such a singularity from a black hole.

연구 동기 및 목표

• 밀집된 천체 근처에서의 펄서 역학을 이용해 사건의 지평선을 위한 새로운 관측 서명을 식별하기 위해.
• 그렇게 관측적으로 유사한 블랙홀과 낙법 없는 싱귤러리티를 구별하는 데 도전하는 데에.
• 직접 영상 촬영이 아닌, 펄서 펄스 주파수와 중력파 방출의 측정 가능한 변화를 통해 사건의 지평선을 탐지하는 방법을 제안하기 위해.
• 블랙홀 근처와 낙법 없는 싱귤러리티 근처에서의 펄서 붕괴에 따른 전자기파 및 중력파 서명을 모델링하기 위해.
• 스핀 프리세셔널 붕괴 사건(SPDE)가 사건의 지평선을 유일하게 나타내는 지표가 될 수 있도록 기준을 설정하기 위해.

제안 방법

• 회전하는 블랙홀 또는 낙법 없는 싱귤러리티의 케르 메트릭에 의해 발생하는 프레임 드래깅 효과가 펄서 스핀 축에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 궤도 반경에 따라 스핀 프리세션 속도를 계산하여, 이가 사건의 지평선 근처에서 발산하는 지를 보여주기 위해.
• 궤도가 줄어들면서 증가하는 프리세션으로 인해 관측되는 펄스 주파수의 증가를 예측하기 위해.
• 스핀의 가속도로 인한 중력파 방출을 추정하고, 이를 프리세션 속도와 연결하기 위해.
• 블랙홀 근처의 SPDE와 낙법 없는 싱귤러리티 근처의 SPDE를 비교하여 특징을 식별하기 위해.
• 일반 상대성 이론의 역학을 사용해 붕괴 과정을 시뮬레이션하고 관측 가능한 서명을 예측하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀집된 천체 근처에서의 펄서 스핀 프리세션 속도가 사건의 지평선 존재를 위한 고유한 서명을 제공할 수 있는가?
• RQ2 프레임 드래깅에 의해 유도된 프리세션으로 인해 펄서가 블랙홀에 가까워질수록 펄스 주파수는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 블랙홀 근처에서 붕괴된 펄서와 낙법 없는 싱귤러리티 근처에서 붕괴된 펄서 사이의 전자기파 및 중력파 서명에는 어떤 차이가 있는가?
• RQ4 관측 가능한 방출 특성 측면에서 스핀 프리세셔널 붕괴 사건(SPDE)를 tidal disruption event와 구별할 수 있는가?
• RQ5 전자기파 및 중력파 관측소를 통해 이러한 사건을 탐지하기 위해 충족되어야 할 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 케르 블랙홀 근처의 원형 궤도를 도는 펄서의 스핀 프리세션 속도는 사건의 지평선에 가까워질수록 급격히 증가한다.
• 이로 인해 관측되는 펄스 주파수가 상당히 증가하며, 민감한 전자기 천체망원경으로 감지될 수 있다.
• 스핀 프리세션으로 인한 중력파 방출은 지평선 근처에서 크게 증가할 것으로 예상되며, 이는 보완적인 탐지 채널을 제공한다.
• 블랙홀 근처에서 발생하는 스핀 프리세셔널 붕괴 사건(SPDE)의 전자기적 빛나는 특성은 낙법 없는 싱귤러리티 근처의 유사한 사건과 다름을 보이며, 이는 두 천체를 구별할 수 있게 한다.
• 블랙홀 근처에서의 펄서 붕괴는 고주파 펄스와 강화된 중력파를 포함하는 고유한 다중 메신저 신호를 유도한다.
• 제안된 방법은 직접 영상 촬영이나 안정된 궤도 관측이 필요 없이, 사건의 지평선을 간접적으로 탐지할 수 있는 새로운 방법을 제공한다.