[論文レビュー] Gravitational Lensing in Plasmic Medium

Г. С. Бисноватый-Коган, Oleg Yu. Tsupko|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、幾何光学におけるハミルトニアンアプローチを用いて、球対称なプラズマ媒質中におけるシュワルツシルトブラックホールによる光子の偏光に対する正確な式を導出する。重力レンズ効果がプラズマ分散および屈折効果により色ばらけとなることが示され、偏光角は光子周波数に依存する。これは真空中のレンズ効果とは異なり、真空中では色ばらけが生じない。

ABSTRACT

The influence of plasma on different effects of gravitational lensing is reviewed. Using the Hamiltonian approach for geometrical optics in a medium in the presence of gravity, an exact formula for the photon deflection angle by a black hole (or another body with a Schwarzschild metric) embedded in plasma with a spherically symmetric density distribution is derived. The deflection angle in this case is determined by the mutual combination of different factors: gravity, dispersion, and refraction. While the effects of deflection by the gravity in vacuum and the refractive deflection in a nonhomogeneous medium are well known, the new effect is that, in the case of a homogeneous plasma, in the absence of refractive deflection, the gravitational deflection differs from the vacuum deflection and depends on the photon frequency. In the presence of a plasma nonhomogeneity, the chromatic refractive deflection also occurs, so the presence of plasma always makes gravitational lensing chromatic. In particular, the presence of plasma leads to different angular positions of the same image if it is observed at different wavelengths. It is discussed in detail how to apply the presented formulas for the calculation of the deflection angle in different situations. Gravitational lensing in plasma beyond the weak deflection approximation is also considered.

研究の動機と目的

• . 真空近似を越えて、プラズマが重力レンズ効果に与える影響を調査すること。
• . 球対称プラズマに埋め込まれたシュワルツシルト計量における光子偏光角の正確な式を導出すること。
• . 重力レンズ効果がプラズマ中で周波数依存性を示すため、色ばらけとなる理由を示すこと。
• . 重力、分散、屈折の相互作用が、全偏光角を決定するメカニズムを分析すること。
• . 実際の天体的条件下を想定した、弱い偏光近似を超えた分析を拡張すること。

提案手法

• . 曲がった時空における媒体を伴う幾何光学のためのハミルトニアン形式を用いる。
• . プラズマを周波数依存性のある屈折率を有する球対称で分散的で非一様な媒体としてモデル化する。
• . ハミルトニアンから導かれる光線方程式を解き、全偏光角を計算する。
• . 偏光計算において、重力（シュワルツシルト計量）、分散、屈折の寄与を分離する。
• . 色ばらけ効果を分離するために、一様および非一様プラズマの両ケースを検討する。
• . 弱い偏光近似を超えて、強い場の効果を含むように結果を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . プラズマは、真空中と比較して光子の重力的偏光にどのように影響を与えるか？
• RQ2 . 球対称プラズマ中を通過する光子がシュワルツシルトブラックホールの近くを通る際の正確な偏光角は何か？
• RQ3 . 密度勾配が存在しない状況でも、なぜ重力レンズ効果がプラズマ中で色ばらけとなるのか？
• RQ4 . 分散および屈折は、プラズマ中で周波数依存性の偏光にどのように寄与するか？
• RQ5 . 色ばらけレンズ効果は、天体的源の多波長観測にどのような意味を持つのか？

主な発見

• . 一様プラズマ中では、偏光角は真空中の値とは異なり、光子周波数に明示的に依存する。
• . 非一様プラズマ中では、屈折による偏光が周波数依存性の屈折率のため色ばらけとなる。
• . プラズマ中における重力レンズ効果は本質的に色ばらけであり、画像の位置が波長依存性を示す。
• . 全偏光角は、重力的寄与、分散的寄与、屈折的寄与の非分離的組み合わせに起因する。
• . 導出された式は弱い偏光近似を超えて適用可能であり、プラズマ中での強い場のレンズ効果の解析を可能にする。
• . プラズマ中でのレンズ効果の色ばらけ性質は、多波長観測によってプラズマ構造や電子密度プロファイルを特定可能にする。