[論文レビュー] A natural mechanism to induce an electric charge into a black hole

J. A. de Diego, D. Dultzin‐Hacyan+2 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2004

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、降着円盤内での高エネルギー光子のコンプトン散乱を通じてブラックホールを自然に帯電させるメカニズムを提案する。この過程で電子は相対論的速さに加速され、脱出可能となり、ブラックホールに正の残余電荷を残す。発生する電場は降着を抑制し、電荷の蓄積と中和のサイクルが発生し、その結果として周期的または準周期的なX線変動が生じる。このモデルは、IRAS 18325-5926のようなAGNで観測された低振幅の変動をよく再現する。

ABSTRACT

We present a natural mechanism which may induce an electric charge into an accretting black hole in the presence of a strong, high energy radiation field. We study this mechanism using Newtonian physics, and we also discuss the process within the context of a Kerr Newman black hole. Finally, we consider possible astrophysical applications in X-ray variability and jet formation in the Active Galactic Nuclei (AGN).

研究の動機と目的

• 降着円盤内の高エネルギー放射が、ブラックホールに自然に電荷を誘発できるかを調査すること。
• いくつかの活動銀河核（AGN）で観測された低振幅で周期的または準周期的なX線変動の起源を解明すること。
• 電子の放出と陽子の降着を通じて、安定した非裸の特異点電荷をブラックホールが獲得できることを示すこと。
• 特にジェット形成とX線変動における、帯電ブラックホールの天体物理学的意義を探索すること。
• 提案されたメカニズムを既存のモデルと比較し、摂動に対して安定で単純である点を強調すること。

提案手法

• 内側の降着円盤領域における硬X線およびγ線による電子のコンプトン散乱による加速をモデル化する。
• ニュートン力学を用いて、プラズマからの電子の脱出を分析し、相対論的電子がデイビー遮蔽によってシールドされないと仮定する。
• 脱出する電子の割合（約10^25–10^26に1）に基づいて、ブラックホールの電荷対質量比を推定する。
• カー＝ニューマン計量を適用して、帯電ブラックホールがイベントホライズンを保有するかを検証する。
• フィードバックループのシミュレーション：ブラックホールの帯電により降着と放射圧が低下し、電子が再び降着して電荷が中和される。
• 観測されたX線光曲線（特にIRAS 18325-5926）にモデルをフィットさせ、歯型に似た変動と摂動後の時間遅れを再現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー放射場内でのコンプトン散乱が、ブラックホールに自然にネット電荷を誘発できるか？
• RQ2 イベントホライズンを失わない範囲で、ブラックホールが保てる最大電荷は何か？
• RQ3 発生する電場がどのように降着と放射圧を調節し、周期的X線変動を生じさせるか？
• RQ4 なぜX線変動が時々消え、後に時間遅れを伴って再出現するのか？これは自己調整型の電荷サイクルで説明可能か？
• RQ5 このメカニズムは、カー＝ニューマン計量のようなアインシュタイン＝マクスウェル方程式の正確解と整合性を持つか？

主な発見

• ブラックホールの帯電を開始するには、約10^25–10^26個の電子のうち1個がコンプトン散乱で脱出すれば十分である。
• 陽子の優先的降着と相対論的電子の放出により、ブラックホールは正の残余電荷を獲得する。
• 発生する電気反発力により降着速度と放射圧が低下し、X線の放射度が低下する。
• 放射圧が弱まると、コロナ内の電子雲が再び落下し、ブラックホールが中和され、X線放射度が急激に上昇する。その結果、歯型に似た光曲線が得られる。
• このモデルは、IRAS 18325-5926で観測された低振幅の準周期的X線変動を再現でき、摂動後の時間遅れも再現する。
• モデルは安定している：摂動後、系は自然に周期性を取り戻すが、多くの代替モデルとは異なり、この性質を示す。