[논문 리뷰] Shadow of the rotating black hole with quintessential energy in the presence of the plasma

Ahmadjon Abdujabbarov, Bobir Toshmatov외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 13.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론의 정확한 해를 사용하여, 퀸티세셜 에너지와 플라즈마 속에 잠긴 회전하는 블랙홀의 影을 연구한다. 퀸티세셜 필드 매개변수는 影의 반경을 증가시키고 왜곡을 감소시켜, 빠르게 회전하는 블랙홀의 影을 더 원형에 가깝게 만들며, 플라즈마는 명백한 影 반경을 증가시키지만, 높은 필드 강도에서는 퀸티세셜 효과가 우세해진다.

ABSTRACT

We study the shadow of the rotating black hole with quintessential energy i) in vacuum and ii) in the presence of plasma with radial power-law density. For vacuum case the quintessential field parameter of the rotating black hole sufficiently changes the shape of the shadow. With the increasing the quintessential field parameter the radius of the shadow also increases. With the increase of the radius of the shadow of the rotating black hole the quintessential field parameter causes decrease of the distortion of the shadow shape: In the presence of the quintessential field parameter the shadow of fast rotating black hole starting to become more close to circle. The shape and size of shadow of quintessential rotating black hole surrounded by plasma depends on i) plasma parameters, ii) black hole spin and iii) quintessential field parameter. With the increase of the plasma refraction index the apparent radius of the shadow increases. However, for the big values of the quintessential field parameter the change of the black hole shadow's shape due to the presence of plasma is not sufficient. In other words: the effect of the quintessential field parameter becomes more dominant with compare to the effect of plasma.

연구 동기 및 목표

• 진공 상태에서 퀸티세셜 에너지가 존재하는 회전 블랙홀의 影을 분석하기.
• 회전 블랙홀의 影에 영향을 미치는 반경 방향 거듭제곱 법칙 밀도를 가진 플라즈마의 영향을 포함하여 분석을 확장하기.
• 퀸티세셜 필드 매개변수, 블랙홀 스핀, 플라즈마 특성이 함께 影의 형태와 크기에 미치는 영향을 정량화하기.
• 다양한 조건에서 퀸티세셜과 플라즈마가 影을 형성하는 데서 상대적인 지배력을 비교하기.

제안 방법

• 마스터 $ M $, 스핀 $ a $, 퀸티세셜 필드 매개변수 $ c $로 매개변수화된 퀸티세셜 에너지가 있는 회전 블랙홀의 계량을 유도한다.
• 퀸티세셜 블랙홀의 곡률 시공간에서 광선의 운동을 모델링하기 위해 영궤적 방정식을 적용한다.
• 반경 방향 거듭제곱 법칙 플라즈마 밀도 프로파일 $ N(r) = N_0 / r^h $ 를 도입하여, 광선 전파를 수정하는 굴절률 $ n(r) $ 을 유도한다.
• 수정된 운동 상수와 카터 방정식을 사용하여 천체좌표 $ eta $ 와 $ eta $ 를 계산하며, 굴절률을 통해 플라즈마 효과를 통합한다.
• 수정된 광선 궤적을 사용하여 $ a $, $ c $, $ n $ 의 다양한 값에 대해 수치적으로 影 이미지를 생성하고, 형태와 크기 변화를 분석한다.
• 진공 환경과 플라즈마 환경에서의 影 특성을 비교하여, 퀸티세셜과 플라즈마의 상대적 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퀸티세셜 필드 매개변수 $ c $ 는 진공 상태에서의 회전 블랙홀 影의 크기와 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 반경 방향 거듭제곱 법칙 밀도를 가진 플라즈마의 존재는 블랙홀 影의 명백한 반경과 왜곡에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 퀸티세셜 필드 매개변수와 플라즈마 굴절률 사이의 상대적 영향은 影 형태에 어떻게 작용하는가?
• RQ4 퀸티세셜이 존재하는 빠르게 회전하는 블랙홀의 影은 표준 킬러 경우에 비해 더 원형에 가까워지는가?
• RQ5 블랙홀 스핀 $ a $, 퀸티세셜 매개변수 $ c $, 플라즈마 밀도 프로파일이 함께 블랙홀의 관측 가능한 특징을 어떻게 결정하는가?

주요 결과

• 퀸티세셜 필드 매개변수 $ c $ 가 증가할수록 影 반경이 증가하여, $ c $ 가 클수록 더 큰 명백한 크기를 가짐을 나타낸다.
• $ c $ 가 증가함에 따라 影의 왜곡이 감소하고, 빠르게 회전하는 블랙홀의 影은 더 원형에 가까워진다.
• 플라즈마에서는 굴절률 $ n $ 이 증가함에 따라 명백한 影 반경이 증가하며, 중력 렌즈 효과와 굴절 효과 때문이 다.
• 퀸티세셜 필드 매개변수 $ c $ 가 매우 클 경우, 플라즈마가 影 형태에 미치는 영향은 무시할 수 있게 되어, 퀸티세셜이 지배적인 요소가 된다.
• 影의 형태와 크기는 블랙홀 스핀 $ a $, 퀸티세셜 필드 매개변수 $ c $, 플라즈마 매개변수(예: $ n $) 의 조합에 의해 결정된다.
• 고 $ c $ 에서 플라즈마 지배에서 퀸티세셜 지배로의 전이가 발생하며, 이는 플라즈마 효과가 포화 상태에 도달하고 더 이상 影을 크게 변화시킬 수 없기 때문이다.