[论文解读] Constraining rotating black hole via curvature radius with observations of M87*

Shao-Wen Wei, Yuan-Chuan Zou|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 43被引用 5

一句话总结

本文利用事件视界望远镜（EHT）对M87*黑洞阴影尺寸在68%置信水平下的约束（4.31M至6.08M），结合黑洞阴影的局部曲率半径这一可观测量，对Kerr黑洞和Kerr-Newman黑洞的自旋与电荷进行约束。局部曲率半径作为局部可观测量，对高自旋及近极限自旋黑洞提供了更紧的约束，尤其在高倾角时更为显著，而低自旋与低电荷配置则与观测结果一致。

ABSTRACT

Combined with the observation of M87*, shadow has gradually became a promising test of the black hole nature. Recently, EHT collaboration gave new constraints on the shadow size at 68\% confidence levels. In this work, we consider the new constrains on the black hole spin and charge for the Kerr and Kerr-Newmann black holes via the local curvature radius. For the Kerr black holes, the cases with high spin and large inclination angle are ruled out. For the Kerr-Newmann black holes, two new characteristic constrained patterns for low and high black hole spins are given. Near extremal black holes are always excluded unless for the high spin and low inclination angle. Moreover, we find that low black hole spin and charge can pass these constraints as expected. These results suggest that this approach of curvature radius is effective on constraining black hole parameters. We expect the local concept of the curvature radius will play a more important role on the study of the black hole shadow in the further.

研究动机与目标

• 利用黑洞阴影的局部曲率半径作为新可观测量，检验超大质量黑洞M87*的性质。
• 利用最新的EHT对M87*的观测结果，约束Kerr与Kerr-Newman黑洞的自旋与电荷。
• 评估局部可观测量（特别是曲率半径）相较于全局阴影可观测量，在探测黑洞参数方面的有效性。
• 识别在观测阴影尺寸约束下被排除或允许的参数区域（自旋、电荷、倾角）

提出的方法

• 通过弯曲时空中的测地线计算Kerr与Kerr-Newman黑洞阴影边界上的局部曲率半径。
• 推导出最小与最大曲率半径作为黑洞自旋（a/M）、电荷（Q/M）与观测者倾角（θ₀）的函数的解析表达式。
• 应用EHT约束：阴影尺寸必须在68%置信水平下位于4.31M至6.08M之间，以限制R_min与R_max。
• 通过比较R_min与R_max与观测约束，映射出参数空间（a/M, Q/M, θ₀）中被允许与被排除的区域。
• 识别低自旋（a/M = 0.5）与高自旋（a/M = 0.9）黑洞的特征约束模式，揭示其在约束下的不同行为。
• 利用数值可视化展示近极限黑洞附近的被排除区域，以及低电荷、低自旋配置的允许区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞阴影的局部曲率半径是否能比全局可观测量提供更紧的黑洞参数约束？
• RQ2 Kerr-Newman黑洞中哪些自旋与电荷组合被EHT阴影尺寸约束所排除？
• RQ3 观测者的倾角（θ₀）如何通过曲率半径影响黑洞参数的约束？
• RQ4 在何种条件下近极限黑洞能通过阴影尺寸约束？
• RQ5 低自旋与低电荷黑洞是否仍与观测到的阴影尺寸一致？

主要发现

• 当使用曲率半径约束时，高自旋Kerr黑洞在倾角较大（θ₀ > 31°）时被EHT阴影尺寸约束所排除。
• 对于Kerr-Newman黑洞，除非自旋高且倾角小（θ₀ < 31°），否则近极限配置将被排除。
• 低自旋（a/M = 0.5）与低电荷黑洞在所有倾角下均被一致允许，其约束主要由R_min主导。
• 高自旋（a/M = 0.9）黑洞主要受R_max约束，仅在低θ₀时近极限情况可存活。
• 曲率半径方法揭示了两种不同的约束模式：低自旋时由R_min主导，高自旋时由R_max主导。
• 该方法有效排除了参数空间的显著部分，特别是近极限与高自旋配置，证明了局部可观测量在阴影分析中的有效性。