[論文レビュー] Pulsars as a tool to detect event horizons

Prashant Kocherlakota, Sudip Bhattacharyya+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、コンpakな物体の近くにおけるフレーム・ドラッグ効果によるパルサーのスピンの歳差運動を、イベントホライズンの検出ツールとして提案する。パルサーがブラックホールに近づくにつれ、そのスピン歳差率は急激に増加し、これによりパルス周波数と重力波放射が顕著に上昇する。この振るまいは、裸の特異性の周囲とは顕著に異なり、電磁波および重力波のシグナルを通じてホライズンの検出が可能になる。

ABSTRACT

Spinning collapsed objects like Kerr black holes or naked singularities cause the spin axes of pulsars in their vicinity to precess significantly due to frame-dragging. Here we report that the spin-precession rate, and hence the observed pulse rate, of such a pulsar moving in a circular orbit near an event horizon rises sharply as the orbit shrinks. This provides a new way to detect such a horizon, not only from an observed high electromagnetic pulse rate, but also from a plausible detection of gravitational waves due to the increased pulsar spin. The pulsar, approaching the event horizon, should eventually be disrupted causing a new astronomical phenomenon, which we call a spin-precessional disruption event (SPDE). We argue that a significant difference between the radioactive glow of an SPDE and that of a tidal disruption event of a pulsar near a naked singularity could distinguish such a singularity from a black hole.

研究の動機と目的

• コンパクトな物体の周囲におけるパルサーの運動を用いて、イベントホライズンの新しい観測的シグナルを特定すること。
• それ以外の観測的特徴が類似しているため、ブラックホールと裸の特異性を区別する課題に対処すること。
• 直接的な画像化ではなく、パルサーのパルス周波数および重力波放射の測定可能な変化を通じて、イベントホライズンを検出する手法を提案すること。
• ブラックホール付近と裸の特異性付近におけるパルサーの破壊の電磁気的および重力波的シグナルをモデル化すること。
• スピン歳差破壊現象（SPDE）が、イベントホライズンの独自の指標であると特定する基準を確立すること。

提案手法

• 回転するブラックホールまたは裸の特異性のキラー計量に起因するフレーム・ドラッグ効果が、パルサーのスピン軸に与える影響をモデル化する。
• 軌道半径の関数として、円軌道にあるパルサーのスピン歳差率を計算し、イベントホライズン付近で発散することを示す。
• 軌道が小さくなるにつれて歳差が増加することで、観測されるパルス周波数が著しく上昇することを予測する。
• スピンの加速に起因する重力波放射を推定し、歳差率と関連付ける。
• ブラックホール付近におけるSPDEの電磁気的輝度と、裸の特異性付近におけるものとを比較し、特徴の差を特定する。
• 一般相対性理論的力学を用いて破壊過程をシミュレートし、観測可能なシグナルを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトな物体の近くにおけるパルサーのスピン歳差率は、イベントホライズンの存在を特徴付ける一意のシグナルを提供できるか？
• RQ2 フレーム・ドラッグ効果に起因する歳差により、パルサーがブラックホールに近づくと、そのパルス周波数はどのように変化するか？
• RQ3 ブラックホール付近と裸の特異性付近における、パルサーの破壊の電磁気的および重力波的シグナルの違いは何か？
• RQ4 観測可能な放射の観点から、スピン歳差破壊現象（SPDE）と潮汐破壊現象（TDE）を区別できるか？
• RQ5 このような現象が電磁気的および重力波観測所によって検出可能となるための条件は何か？

主な発見

• キラー・ブラックホールの近くで円軌道を回るパルサーのスピン歳差率は、イベントホライズンに近づくにつれて急激に増加する。
• これにより、観測されるパルス周波数が顕著に上昇し、感度の高い電磁気望遠鏡で検出可能となる可能性がある。
• イベントホライズン付近では、パルサーの歳差するスピンに起因する重力波放射も著しく増加すると予想され、補助的な検出チャネルを提供する。
• ブラックホール付近におけるスピン歳差破壊現象（SPDE）の電磁気的輝度は、裸の特異性付近の類似現象とは異なるため、両者を区別可能である。
• ブラックホール付近でのパルサーの破壊は、高周波パルスと強化された重力波を併せ持つ、ユニークなマルチメッセンジャーシグナルをもたらす。
• 提案手法により、直接的な画像化や安定軌道の観測を要しない、新たな間接的イベントホライズン検出法が提供される。