[논문 리뷰] Shadow casted by a twisted and rotating black hole

Songbai Chen, Jiliang Jing|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 04.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 총 운동량이 없지만 회전 파라미터를 가진 4차원 아인슈타인 중력 이론의 진공 해인 비틀린 회전 블랙홀에 의해 투사되는 그림자에 대해 연구한다. 비록 회전 파라미터가 존재하지만, 그림자는 관측자의 기울기와 관계없이 항상 원형이며, 광자 궤도 반경과 그림자 크기는 모두 회전에 따라 단조롭게 증가한다. 이는 케르 유형의 블랙홀보다는 정적 블랙홀과 유사하다.

ABSTRACT

Zhang have obtained recently a twisted rotating black hole metric, which is a vacuum solution in four-dimensional Einstein gravity. This black hole solution has a rotation parameter, but without the total angular moment. Here, we have investigated the shadow casted by a twisted rotating black hole. Our results show that the shape of the shadow of the twisted rotating black hole is a standard round disk and does not depend on the inclination angle of the observer. It means that although the twisted rotating black hole has a rotation parameter, its shadow possesses the same behaviors as the common static black hole rather than the usual Kerr-like black holes. Moreover, we find that the marginally circular orbit radius of photon is independent of the direction of photon around the black hole. The value of the marginally circular orbit radius of photon and the size of shadow increase monotonously with the rotation parameter.

연구 동기 및 목표

• 비틀린 회전 블랙홀의 그림자 형태를 분석하기 위해, 4차원 아인슈타인 중력 이론의 새로운 진공 해를 연구한다.
• 총 운동량이 없음에도 불구하고, 회전 파라미터가 그림자 형태와 크기에 미치는 영향을 조사한다.
• 그림자가 케르 유형의 블랙홀에서 관찰되는 특성과 유사한지, 아니면 정적 블랙홀과 유사한지를 판단한다.
• 안정한 광자 궤도의 성질과 그 방향 및 회전에 대한 의존성을 조사한다.

제안 방법

• 최근 장에 의해 유도된 비틀린 회전 블랙홀 계량을 사용하여, 4차원에서 진공 아인슈타인 방정식을 만족한다.
• 광자 궤도를 추적하기 위해 영점 지오데식 방정식을 사용하여 그림자를 계산한다.
• 관측자의 기울기 각도를 변화시켜 그림자의 외관 형태와 크기에 미치는 영향을 평가한다.
• 등가 잠재력 방법을 사용하여 적도 평면에서 안정적인 원형 광자 궤도의 반경을 계산한다.
• 무한한 곳으로 도달하거나 사건의 지평선으로 빠지는 광자에 대응하는 임계 영향 매개변수를 통해 그림자 경계를 결정한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 그림자를 시각화하고, 그림자 크기와 회전 파라미터, 관측자 방향에 대한 의존성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀린 회전 블랙홀의 그림자는 표준 케르 블랙홀의 그림자와 어떻게 다를까?
• RQ2 회전 파라미터가 존재함에도 불구하고, 그림자 형태가 관측자의 기울기 각도와 관계없이 원형을 유지하는가?
• RQ3 안정적인 원형 광자 궤도의 반경은 회전 파라미터와 광자의 방향에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ4 총 운동량이 없을 경우, 그림자 크기는 회전 파라미터에 비례하여 얼마나 증가하는가?
• RQ5 그림자 행동은 정적 블랙홀과 더 유사한가, 아니면 회전하는 케르 블랙홀과 더 유사한가?

주요 결과

• 비틀린 회전 블랙홀의 그림자는 관측자의 기울기 각도와 관계없이 완벽한 원형이다.
• 그림자 크기는 회전 파라미터에 따라 단조롭게 증가하여 직접적인 비례 관계를 나타낸다.
• 안정적인 원형 광자 궤도의 반경은 블랙홀 주위의 광자의 앙비 방향과 무관하다.
• 광자 구역 반경은 회전 파라미터가 증가함에 따라 증가하며, 이는 증가하는 그림자 크기와 일치한다.
• 비록 회전 파라미터가 존재하지만, 그림자의 행동은 케르 유형의 블랙홀보다는 정적 블랙홀과 유사하다.
• 총 운동량이 없더라도 그림자의 원형 대칭성과 광자 궤도 반경의 등방성은 유지된다.