[논문 리뷰] The Magnetospheric Eternally Collapsing Object (MECO) Model of Galactic Black Hole Candidates and Active Galactic Nuclei

Stanley L. Robertson, D. Leiter|arXiv (Cornell University)|2006. 02. 21.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론의 블랙홀 대체 모델로, 자기권 영속적으로 붕괴하는 물체(MECO) 모델을 제안한다. 이 모델에서는 균형을 이루는 자기장과 콘프턴 광자 압력에 의해 발생하는 느린 에딩턴 한계 붕괴로 인해, 압축된 천체가 사건의 지평선을 피한다. 이 모델은 블랙홀 후보자와 활성 은하핵의 스펙트럼, 시간 변화, 제트 특성을 특성적인 자기모멘트와 극도로 큰 중력 레드시프트를 통해 설명하며, 특이점이나 갇힌 표면 없이 이루어진다.

ABSTRACT

The spectral, timing, and jet formation properties of neutron stars in low mass x-ray binary systems are influenced by the presence of central magnetic moments. Similar features shown by the galactic black hole candidates (GBHC) strongly suggest that their compact cores might be intrinsically magnetic as well. We show that the existence of intrinsically magnetic GBHC is consistent with a new class of solutions of the Einstein field equations of General Relativity. These solutions are based on a strict adherence to the Strong Principle of Equivalence (SPOE) requirement that the world lines of physical matter must remain timelike in all regions of spacetime. The new solutions emerge when the structure and radiation transfer properties of the energy momentum tensor on the right hand side of the Einstein field equations are appropriately chosen to dynamically enforce this SPOE requirement of timelike world line completeness. In this context, we find that the Einstein field equations allow the existence of highly red shifted, Magnetospheric, Eternally Collapsing Objects (MECO). MECO necessarily possess intrinsic magnetic moments and they do not have trapped surfaces that lead to event horizons and curvature singularities. Their most striking features are equipartition magnetic fields, pair plasma atmospheres and extreme gravitational redshifts. Since MECO lifetimes are orders of magnitude greater than a Hubble time, they provide an elegant and unified framework for understanding a broad range of observations of GBHC and active galactic nuclei. We examine their spectral, timing and jet formation properties and discuss characteristics that might lead to their confirmation.

연구 동기 및 목표

• 은하 블랙홀 후보자(GBHC)와 활성 은하핵(AGN)에서 사라진 지평선에 대한 직접적 증거가 부족한 문제를 해결하기 위해, 블랙홀의 물리적으로 일관된 대안을 제안하는 것.
• 일반 상대성 이론과 강한 등가 원리(SPOE)를 기반으로 한 통합 프레임워크를 통해 GBHC 및 AGN의 관측된 스펙트럼, 시간 변화, 제트 특성을 설명하는 것.
• 압축된 천체의 내재된 자기모멘트가 이전에 블랙홀 순환에 기인한 것으로 여겨졌던 침체 상태의 파워 루프 X선 복사와 저상태 제트를 설명할 수 있음을 보여주는 것.
• 에너지-모멘트 텐서의 비중력 성분이 지평선 형성과 곡률 특이점을 방지함으로써 MECO 해가 사라진 표면과 특이점을 피하고, 시간적 세계선의 완전성을 유지함을 보여주는 것.
• 바이다 메트릭과 쌍체 플라즈마 대기에서의 양자전자역학(QED) 과정을 사용하여 MECO 존재의 이론적 근거를 제공하고, 안정적이고 장기간 지속되는 붕괴를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 강한 등가 원리(SPOE)를 엄격히 준수하여, 모든 질량을 가진 입자의 세계선이 시공간 전역에서 시간적 성격을 유지하도록 하는 것.
• SPOE 준수를 보장하기 위해 비중력 성분을 포함한 구조화된 에너지-모멘트 텐서를 사용하여 아인슈타인-맥스웰 방정식의 해를 구성하는 것.
• 시간에 따라 변하는 바이다 메트릭을 사용하여 복사되는 붕괴하는 물체로 MECO를 모델링하며, 코ордин트 변환 없이도 천천히 에딩턴 한계 붕괴를 가능하게 하는 것.
• 내재된 등분포 자기다중극장에서 발생하는 동기방출 복사에 의한 콘프턴 광자 압력을 도입하여 붕괴를 동적으로 억제하거나 느리게 하는 것.
• 표면의 쌍체 플라즈마에서 QED 과정을 통해 필요한 자기장을 생성하고 유지함으로써 안정적이고 극도로 레드시프트된 붕괴를 가능하게 하는 것.
• 일반 상대론적 플라즈마 천체물리학을 적용하여 표면 이동 전류와 등위도의 극방향 자기장이 MECO의 구조를 유지하는 방식을 유도하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 블랙홀 후보자와 활성 은하핵의 관측된 스펙트럼 및 시간 변화 특성을 사라진 지평선이나 특이점 없이 설명할 수 있는가?
• RQ2 압축된 천체의 내재된 자기모멘트가 중성자별과 블랙홀 후보자 모두에서 침체 상태의 파워 루프 X선 복사와 저상태 제트를 통합적으로 설명할 수 있는가?
• RQ3 에너지-모멘트 텐서에 비중력 성분을 도입함으로써 일반 상대성 이론에서 강한 등가 원리를 만족시키고, 갇힌 표면 형성을 방지할 수 있는가?
• RQ4 MECO에서 극도로 큰 중력 레드시프트와 쌍체 플라즈마 대기가 AGN 및 GBHC의 관측된 X선 및 전파 복사에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 블랙홀 모델의 표준 기준인 케르-실드 메트릭 대신, 바이다 메트릭이 내재된 자기모멘트를 가진 복사 붕괴 압축 천체를 물리적으로 일관되게 기술할 수 있는가?

주요 결과

• SPOE 조건을 만족하는 MECO 해는 아인슈타인-맥스웰 방정식의 해로서 존재하며, 세계선의 시간적 완전성을 동적으로 유지함으로써 사라진 지평선과 곡률 특이점을 피한다.
• MECO 천체는 10^29–30 가우스 cm³ 정도의 내재된 자기모멘트를 지닌다. 이는 GBHC 및 밀리초 펄사에서 관측된 자전 감속률과 침체 상태 X선 빛의 세기와 일치한다.
• GBHC에서 관측된 광자 지수 약 1.7인 침체 상태 X선 스펙트럼은 자기권 자전 감속 복사로 설명되며, 활성 상태보다 약 10^3–10^6 배 낮은 빛의 세기를 예측한다.
• MECO 모델은 내재된 다중극 자기장과 쌍체 플라즈마 대기를 통해 GBHC 및 AGN에서 관측된 제트 형성과 동기방출 복사를 재현한다.
• 바이다 메트릭은 MECO의 외부 시공간을 기술하며, 바이다와 케르-실드 메트릭 간의 코ордин트 변환은 존재하지 않아, 이러한 천체에 대한 표준 블랙홀 모델을 무효화한다.
• 활성 은하핵 Q0957+561의 관측 증거는 압축 천체에 내재된 자기다중극장의 존재를 지지하며, 이는 케르-실드 메트릭을 사용하는 표준 일반 상대론적 플라즈마 유체역학(GRMHD) 시뮬레이션으로는 설명할 수 없다.