[논문 리뷰] Spinning Black Holes with Scalar Hair and Horizonless Compact Objects within and beyond General Relativity

Jorge F. M. Delgado|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Relativity and Gravitational Theory인용 수 4

한 줄 요약

이 박사학위논문은 수치相对론을 활용하여 아인슈타인-클라인-고어드 이론과 이동 대칭 히르네스키 중력 이론에서 스칼라 뿌리가 있는 스핀하는 블랙홀과 사건의 지평선이 없는 밀도 높은 물체를 구축하고 분석한다. 주요 결과로는 안정적인 빛 고리 구조의 발견과 타입-클라인 궤도에서의 효율적인 중력파 방출이 이루어졌으며, 이는 중력파 및 EHT 관측을 통한 커르 가설의 중요한 시험을 제공한다.

ABSTRACT

The last years have brought upon us a golden age of observational gravitational physics. The several observations by the LIGO/Virgo/KAGRA collaboration about gravitational waves and by the EHT collaboration about the shadow and lensing of light around the supermassive black hole in the centre of M87 will point the scientific community in the correct direction to find an answer to the Kerr hypothesis. In order to follow that direction, the systematic construction and analysis of the physical properties of solutions within General Relativity with additional fields or within modified theories of gravity is necessary. In this thesis, we shall provide such construction and analysis for compact objects within (complex-)Einstein-Klein-Gordon theory with various scalar potentials and within a particular scalar-tensor theory -- the shift-symmetric Horndesky theory. After a brief introduction to some key topics that shall be useful throughout this thesis, we present a discussion about the horizon geometry of Kerr black holes with and without scalar hair. We follow up with the construction and study of the same hairy solutions discussed in the previous chapter but with higher azimuthal harmonic indexes. In the following two chapters, we introduce a different scalar potential based on the Quantum Chromodynamic axion potential and obtain and study both horizonless compact objects and black holes. We then go to the shift-symmetric Horndeski theory, where we perform similar constructions and analyses to the ones already mentioned. Lastly, we derive a relation between the radial stability of light-rings and timelike circular orbits around them. We follow up with a study on how efficient it is the conversion of gravitational energy in radiation as a timelike particle falls towards all compact objects studied throughout this thesis. We end with some conclusions and remarks.

연구 동기 및 목표

• 아인슈타인-클라인-고어드 이론과 이동 대칭 히르네스키 중력 이론에서 스칼라 뿌리가 있는 스핀하는 밀도 높은 물체를 체계적으로 구축하고 분석하기.
• 다른 밀도 높은 물체 해를 연구함으로써 중력파 및 그림자 관측을 통한 커르 가설을 시험하기.
• 사건의 지평선이 없는 물체와 뿌리가 있는 블랙홀 해를 둘러싼 타입-클라인 원형 궤도의 안정성과 방출 효율성 조사하기.
• 이러한 시공간에서 빛 고리의 반경 안정성과 궤도 성질 간의 일반적 관계 유도하기.
• QCD 아키온 포텐셜을 포함한 다양한 스칼라 포텐셜을 가진 해의 물리적 성질 비교하기.

제안 방법

• 스펙트럼 방법을 사용하여 축대칭이고 정적 시공간에서의 결합된 아인슈타인-스칼라 장 방정식의 수치적 해 구하기.
• 다양한 스칼라 포텐셜, 특히 QCD 아키온 포텐셜을 포함한 복소수 아인슈타인-클라인-고어드 프레임워크의 구현.
• 이동 대칭 히르네스키 이론을 적용하여 비자명한 스칼라 뿌리가 있는 스칼라-텐서 해 구축하기.
• 효과 포텐셜 방법을 통해 빛 고리 구조 계산 및 반경 안정성 분석하기.
• 타입-클라인 원형 궤도의 수치적 추적을 통해 중력파 방출 효율성 계산하기.
• 해석적 및 수치적 기법을 활용하여 일반상대성이론 내외의 해를 비교하며, 사건의 지평선이 없는 물체 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 뿌리와 수정된 중력은 스핀하는 블랙홀의 기하학적 구조와 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 QCD 아키온 포텐셜을 가진 아인슈타인-클라인-고어드 이론에서 사건의 지평선이 없는 밀도 높은 물체의 물리적 성질은 무엇인가?
• RQ3 빛 고리의 반경 안정성은 타입-클라인 원형 궤도의 존재성과 안정성과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 스칼라 뿌리가 있는 물체와 사건의 지평선이 없는 물체에 빨라지는 입자로부터 중력파 방출 효율은 얼마나 되는가?
• RQ5 이동 대칭 히르네스키 이론 해는 안정적인 스핀하는 블랙홀과 스칼라 뿌리를 지닐 수 있는가?

주요 결과

• 스칼라 뿌리가 있는 블랙홀과 사건의 지평선이 없는 물체 모두에서 안정적인 빛 고리가 발견되었으며, 반경 안정성이 타입-클라인 유한 궤도 존재성과 관련되어 있다.
• QCD 아키온 포텐셜을 가진 해는 EHT가 관측한 블랙홀 그림자와 렌즈 효과를 모방하는 사건의 지평선이 없는 밀도 높은 물체를 지닌다.
• 일부 사건의 지평선이 없는 구성에서 타입-클라인 입자 방출의 중력파 방출 효율은 커르 블랙홀보다 뚜렷이 높다.
• 빛 고리의 반경 안정성과 궤도 성질 간의 유도된 관계는 밀도 높은 물체 시공간 분석을 위한 통합 프레임워크를 제공한다.
• 이동 대칭 히르네스키 이론에서 안정적인 스핀하는 블랙홀과 스칼라 뿌리를 지닌 해를 구축하였으며, 강력한 필드 영역에서 일반상대성이론 예측과의 편차를 보였다.
• 수치적 해는 스칼라-텐서 모델이 커르 철학 이외의 장수명이며 천체물리학적으로 관련 있는 밀도 높은 물체를 지지할 수 있음을 확인한다.