[논문 리뷰] Rotating black hole shadow in Rastall theory

Rahul Kumar, Balendra Pratap Singh외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 28.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 질량 $M$, 스핀 $a$, 장 구조 매개변수 $N_s$, Rastall 매개변수 $ψ$ 를 고려한 회전하는 Rastall 블랙홀의 그림자에 대한 해석적 공식을 유도한다. 양의 $ψ$ 는 킬러 블랙홀과 비교해 그림자를 확대하고 비대칭성을 감소시키는 것으로 나타났으며, 음의 $ψ$ 는 반대로 작용하여 $ψ$ 또는 $N_s$ 가 증가할수록 그림자가 더 둥글게 변형되고 커진다.

ABSTRACT

Due to gravitational lensing effect, a black hole casts a shadow larger than its horizon over a bright background and the shape and size can be calculated. We discuss rotating black holes surrounded by a perfect fluid, namely rotating Rastall black hole, which is characterized by mass $M$, spin $a$, field structure parameter $N_s$ and the Rastall parameter $\psi$. Based on a detailed discussion of the photon regions in these space-times, we derive an analytical formula for the shadow of a rotating Rastall black hole. We go on to visualize the shadow of black holes for various values of the parameters. For a given value of parameters, the presence of a positive Rastall parameter $\psi$ enlarges the shadow and reduces its deformation with respect to the one in the Kerr spacetime, while for a negative Rastall parameter $\psi$, the effect is opposite. Interestingly, for a given value of parameters $a$ and $N_s$, shadows of the black hole, deformed concentric circles with right border becoming significantly more oblate with increase in the parameter $\psi$ and similar effect is seen while increasing $N_s$ with a given $a$ and $\psi.$ Further, the deformed circles become larger in these both cases. The shadow of a black hole surrounded by a quintessence matter ($\psi=0$) is also included for a comparison. We use the absorption cross section to study the energy emission rate of the black hole in Rastall gravity.

연구 동기 및 목표

• Rastall 중력 이론, 즉 수정된 중력 이론에서 회전 블랙홀의 그림자 형태를 조사하기 위해.
• Rastall 매개변수 $ψ$ 와 장 구조 매개변수 $N_s$ 가 블랙홀 그림자의 크기와 비대칭성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• Kerr 시공간과 퀠티세스스케이션 경우($ψ=0$)와의 그림자 특성을 비교하기 위해.
• 천체물리학적 관련성을 고려해 Rastall 중력에서 흡수 단면적과 에너지 방출률을 계산하기 위해.

제안 방법

• 회전 Rastall 블랙홀 시공간에서 광자 영역 분석을 통해 그림자의 해석적 공식을 유도하기 위해.
• 영속 광선적 경로와 효과적 위치 에너지 방법을 활용해 블랙홀 근처 광자의 궤도를 결정하기 위해.
• 수치적으로 $M$, $a$, $N_s$, $ψ$ 의 다양한 조합에 대해 그림자를 시각화하기 위해.
• Kerr($ψ=0$, $N_s=0$) 및 퀸티세스스케이션($ψ=0$) 시공간과의 그림자 형태를 비교하기 위해.
• Rastall 중력에서 에너지 방출률을 연구하기 위해 흡수 단면적을 계산하기 위해.
• 그림자 반지름과 비대칭성 매개변수를 사용해 Kerr 블랙홀 행동과의 편차를 정량화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Rastall 매개변수 $ψ$ 는 어떻게 회전 Rastall 블랙홀의 그림자 크기와 형태에 영향을 미치는가?
• RQ2 장 구조 매개변수 $N_s$ 는 그림자의 비대칭성과 크기를 어떻게 수정하는가?
• RQ3 Rastall 블랙홀의 그림자 특성은 어떻게 Kerr 및 퀸티세스스케이션 시공간의 특성과 비교되는가?
• RQ4 Rastall 블랙홀의 에너지 방출률은 무엇이며, $ψ$ 와 $N_s$ 에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 회전 Rastall 블랙홀의 그림자가 동심 원형 비대칭을 나타낼 수 있으며, 어떤 매개변수 조건에서 그러한 현상이 발생하는가?

주요 결과

• 양의 Rastall 매개변수 $ψ$ 는 Kerr 블랙홀 그림자와 비교해 그림자 크기를 증가시키고 비대칭성을 감소시킨다.
• 음의 Rastall 매개변수 $ψ$ 는 Kerr 경우와 비교해 그림자 크기를 감소시키고 비대칭성을 증가시킨다.
• $ψ$ 또는 $N_s$ 를 증가시키면 오른쪽 경계가 더 둥글게 변형되고 전체 그림자 크기가 커지며, 둥근 둘레를 형성하는 비대칭 원형 형태가 된다.
• 퀸티세스스케이션 블랙홀($ψ=0$)의 그림자는 기준선으로 기능하며, 음의 $ψ$ 경우보다는 덜 비대칭적이지만, 양의 $ψ$ 경우보다는 더 비대칭적이다.
• 흡수 단면적 분석을 통해 Rastall 중력에서 에너지 방출률이 $ψ$ 와 $N_s$ 에 민감하게 반응함을 확인하였으며, 관측 가능한 서명으로서의 잠재력을 보여준다.
• 해석적 그림자 공식은 Rastall 중력 매개변수의 변화에 따른 그림자 형태의 정밀한 예측을 가능하게 하여 향후 관측 검증을 지원한다.