[论文解读] Do we expect to detect electromagnetic radiation from merging stellar mass black binaries like GW150914? No

Shuang‐Nan Zhang, Yuan Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文研究了在类似GW150914的双恒星级黑洞并合过程中，是否可能探测到电磁（EM）辐射。通过采用考虑下落物质影响的时变度规，研究发现并合过程中不会产生显著的EM辐射——仅产生引力波——因此在标准条件下，EM对应体不可探测，除非黑洞在并合前已嵌入致密介质中。

ABSTRACT

Context: The LIGO consortium announced the first direct detection of gravitation wave event GW150914 from two merging black holes; however the nature of the black holes are still not clear. Aims: We study whether electromagnetic radiation can be detected from merging stellar mass black binaries like GW150914. Methods: We briefly investigate the possible growth and merging processes of the two stellar mass black holes in the merging event of GW150914 detected by aLIGO, as clocked by a distant external observer. Our main results are: (1) The description of the black hole growth using stationary metric of a pre-existing black hole predicts strong electromagnetic radiation from merging black holes, which is inconsistent with GW150914; (2) Only gravitational wave radiation can be produced in the coalescence of two black holes such as that in the GW150914 event, if the black hole growth is described using time-dependent metric considering the influence of the in-falling matter onto a pre-existing black hole, as clocked by a distant external observer. Conclusions: Future high sensitivity detections of gravitational waves from merging black holes might be used to probe matter distribution and space-time geometry in the vicinity of the horizon. Perhaps the GW150914-like events can be identified with traditional astronomy observations only if the black holes are embedded in extremely dense medium before their final merge, when very strong electromagnetic radiation is produced and can escape from the system.

研究动机与目标

• 评估根据GW150914事件推断的两个恒星级黑洞并合过程中是否可能产生电磁辐射。
• 检查静止度规模型（预测物质冻结在视界外时产生电磁辐射）与观测到的GW150914事件之间的不一致之处。
• 从远处外部观测者的视角，评估时变时空度规在建模黑洞增长和并合动力学中的作用。
• 探讨在何种条件下EM对应体可能被探测到，例如并合前存在致密环境介质。
• 建议高灵敏度引力波探测可探测黑洞视界附近的时空几何和物质分布。

提出的方法

• 利用静止史瓦西度规分析黑洞增长，该度规假设物质因坐标时间无限膨胀而积聚在事件视界之外。
• 应用考虑下落物质对时空几何影响的时变度规，从远处外部观测者的视角进行分析。
• 将下落物质的吸积 timescale 与GW150914双黑洞系统的并合 timescale 进行比较。
• 将静止模型中积聚物质的EM光度预测与X射线、光学和紫外后续观测的限制进行对比。
• 评估潮汐相互作用及无视界致密天体（如夸克星）中潜在的共振引力波发射对引力波波形的影响。
• 提出只有当黑洞在并合前已嵌入极高密度介质中时，EM对应体才可能被探测到，此时并合被加速，可观测辐射得以产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 在假设使用静止黑洞度规的前提下，两个类似GW150914中的恒星级黑洞并合过程中是否可能产生电磁辐射？
• RQ2 在时变时空度规中引入下落物质影响后，对并合黑洞预期的电磁辐射有何影响？
• RQ3 为何GW150914后续观测中未发现电磁对应体，与时变度规模型一致，却与静止度规模型不一致？
• RQ4 在何种天体物理条件下，合并黑洞的电磁辐射可能变得可探测？
• RQ5 未来高灵敏度引力波探测是否可通过波形畸变区分标准黑洞与无视界致密天体？

主要发现

• 静止度规模型预测，冻结在并合黑洞事件视界外的物质将产生强烈的电磁辐射，这与GW150914事件中未观测到EM对应体的事实相矛盾。
• 当使用考虑下落物质影响的时变度规时，所有物质均在远处观测者测量的有限时间内穿越事件视界，从而阻止了持续的EM辐射。
• 下落物质的吸积 timescale 远短于双星系统的并合 timescale，意味着物质在并合前已被完全吸收，消除了长期EM辐射的可能。
• 若约20倍太阳质量的物质产生约10^55 erg/s的光度，将极易被过去的伽马暴仪器探测到，但实际未观测到此类信号，因此在标准条件下可排除显著的EM辐射。
• 只有当黑洞在并合前已嵌入极高密度介质中时，强EM辐射才可能逃逸并被探测到，但此时由于能量损失增强，引力波信号将发生改变。
• 未来高灵敏度引力波探测或可探测黑洞视界附近的物质分布与时空几何，从而区分真实黑洞与替代性致密天体。