[논문 리뷰] Radiation Pressure Supported Stars in Einstein Gravity

Abhas Mitra|arXiv (Cornell University)|2006. 03. 14.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

논문은 아인슈타인 중력 이론에서 일반 상대성 이론 효과를 고려할 경우, 극도의 중력 레드시프트 영역(z ≫ 1)에서 어떤 질량이든 존재할 수 있는 복사압력에 의해 지지되는 별이 존재할 수 있다고 제안한다. 이러한 별들은 에딩턴 한계에서 복사하고 있으며, 수압평형 상태에 있지 않으며, 블랙홀 형성에 가까워질수록 수명이 무한에 가까워지는 영원히 수축하는 물체(Eternally Collapsing Objects)로 진화한다.

ABSTRACT

Even when we consider Newtonian stars, i.e., stars with surface gravitational redshift, z 1, it is well known that, theoretically, it is possible to have stars, supported against self-gravity, almost entirely by radiation pressure. However, such Newtonian stars must necessarily be supermassive. We point out that this requirement for excessive large M, in Newtonian case, is a consequence of the occurrence of low z 1. On the other hand, if we remove such restrictions, and allow for possible occurrence of highly general relativistic regime, z 1, we show that, it is possible to have radiation pressure supported stars at arbitrary value of M. Since radiation pressure supported stars necessarily radiate at the Eddington limit, in Einstein gravity, they are never in strict hydrodynamical equilibrium. Further, it is believed that sufficiently massive or dense objects undergo continued gravitational collapse to the Black Hole stage characterized by z 1, and hence could be examples of quasi-stable general relativistic radiation pressure supported stars. It is shown that the observed duration of such Eddington limited radiation pressure dominates states is t ~ 5. 10^8 (1+z) yr. Thus, t --> infty as Black Hole formation (z--> infty) would take place. Consequently, such radiation pressure dominated extreme general relativistic stars become Eternally Collapsing Objects and the BH state is preceded by such an eternal radiation pressure supported phase.

연구 동기 및 목표

• 초거대 질량이 필요한 뉴턴역학적 제약 없이 일반 상대성 이론에서 복사압력에 의해 지지되는 별의 존재 가능성을 조사하기 위해.
• 고도의 중력 레드시프트(z ≫ 1)가 임의의 질량에서 복사압력 지지 메커니즘을 가능하게 하는 역할를 분석하기 위해.
• 특히 수압평형에서의 이탈을 포함한 이러한 별의 역학적 진화를 검토하기 위해.
• 블랙홀 형성 과정과 영원히 수축하는 단계를 통해 연결되는 관계를 탐구하기 위해.

제안 방법

• 복사압력이 주요 지지 메커니즘으로 작용하는 아인슈타인 중력 이론 내 별의 구조 방정식 분석.
• 상대론적 영역에서 복사압력 지배를 제약하는 데 에딩턴 광도 한계를 사용.
• 상대론적 유체역학과 레드시프트 의존 진화를 활용하여 복사압력 지배 단계의 시간스케일 유도.
• 무한한 지속 기간의 붕괴를 통해 준안정적인 복사압력 지지 상태에서 블랙홀 형성으로의 전이 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반 상대성 이론에서 초거대 질량 척도가 필요 없이도 임의의 질량에서 복사압력에 의해 지지되는 별이 존재할 수 있는가?
• RQ2 중력 레드시프트(z ≫ 1)가 복사압력 지지 메커니즘의 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 극도의 상대론적 별에서 복사압력 지배 단계의 역학적 시간스케일은 얼마인가?
• RQ4 에딩턴 제한 광도 단계는 블랙홀 형성과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 왜 이러한 별들은 블랙홀 형성에 가까워질수록 영원히 수축하는 물체가 되는가?

주요 결과

• 극도의 중력 레드시프트(z ≫ 1)를 允허할 경우, 아인슈타인 중력 이론에서 어떤 질량이든 존재할 수 있는 복사압력에 의해 지지되는 별이 존재할 수 있다.
• 뉴턴역학적 모델에서 초거대 질량이 요구되는 이유는 낮은 레드시프트(z ≲ 1)에 제한되어 있기 때문이며, 이 제약은 상대론적 영역에서는 제거된다.
• 에딩턴 제한 광도에 의해 지속적으로 복사되는 탓에 이러한 별들은 엄밀한 수압평형 상태에 있지 않으며, 계속적인 중력 수축이 일어난다.
• 복사압력 지배 단계의 관측 지속 시간은 t ≈ 5 × 10^8 (1 + z) 년으로 스케일되며, z → ∞에 가까워질수록 무한히 증가한다.
• 블랙홀 형성이 다가올수록 붕괴 단계는 영원해지며, 이는 블랙홀 상태가 복사압력 지배 단계에 의해 무한히 연기됨을 의미한다.
• 따라서 이러한 별들은 블랙홀 형성 과정이 무한히 연기되는 영원히 수축하는 물체로 분류된다.