[論文レビュー] Strong gravitational lensing of a 4D Einstein-Gauss-Bonnet black hole in homogeneous plasma

Xing-hua Jin, Yuan-Xing Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2020

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、均一なプラズマ中に浸された4次元アインシュタイン＝ガウス＝ボンネット（EGB）ブラックホールによる強力な重力レンズ効果を調査し、強力な偏光限界における偏光角を導出する。EGB結合定数αとプラズマが、光子球半径およびレンズ効果観測量に顕著な影響を及えるが、α/M² ≈ –8 または 1 の場合、プラズマの影響は角度的像分離および相対的明るさの比に最小限にとどまることが示された。

ABSTRACT

We investigate the strong gravitational lensing of spherically symmetric black holes in the novel Einstein-Gauss-Bonnet(EGB) gravity surrounded by unmagnetised plasma medium. The deflection angle in the strong deflection limit in EGB spacetime with homogeneous plasma is derived. We find that both the coupling constant $\alpha$ in the novel EGB gravity and the presence of plasma can affect the radius of photon sphere, strong field limit coefficient and other lensing observables significantly. While plasma has little effect on the angular image separation and the relative magnifications as $\alpha/M^2 o -8$ and $\alpha/M^2 o 1$, respectively.

研究の動機と目的

• 磁化されていないプラズマが存在する中での球対称な4次元アインシュタイン＝ガウス＝ボンネット（EGB）ブラックホールの強力な重力レンズ効果を研究すること。
• 均一なプラズマに取り囲まれたEGBブラックホールの強力な偏光限界における偏光角を導出すること。
• EGB結合定数αとプラズマ密度が、光子球半径や強力場限界係数などのレンズ効果観測量に与える影響を検討すること。
• 角度的像分離や相対的明るさの比といった主要なレンズ効果量に対するプラズマの相対的影響を評価すること。

提案手法

• 4次元EGB重力における均一なプラズマ媒体を想定し、強力な偏光限界（SDL）法を応用して偏光角を計算する。
• 球対称な4次元EGBブラックホールの計量を用いて、光子球半径およびレンズ係数を決定する。
• 光路の屈折効果をモデル化するため、プラズマ分散関係を光的測地線方程式に組み込む。
• 強力場限界係数およびレンズ効果観測量（角度的像分離、相対的明るさの比など）の解析的表現を導出する。
• 数値解析を実施し、レンズ効果観測量がEGB結合定数αおよびプラズマパラメータにどのように依存するかを評価する。
• 真空中とプラズマ環境下でのレンズ効果行動を比較し、特にα/M² ≈ –8 および 1 の極端な値における挙動に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 均一なプラズマが存在する中で、EGB結合定数αは光子球半径にどのように影響を与えるか？
• RQ2 プラズマ媒体は、4次元EGBブラックホール時空における強力場限界係数およびその他のレンズ効果観測量にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 プラズマは、強力な重力レンズ効果における角度的像分離および相対的明るさの比にどのような影響を及えるか？
• RQ4 プラズマを含むEGB重力におけるレンズ効果観測量は、標準一般相対性理論または真空中のEGB状況と比較してどのように異なるか？

主な発見

• EGB結合定数αは光子球半径を顕著に変化させ、強力場領域において一般相対性理論から顕著に逸脱することを示している。
• 均一なプラズマの存在が、特に非ゼロのαに対して、強力場限界係数およびその他のレンズ効果観測量を変化させることを示した。
• α/M² ≈ –8 および α/M² ≈ 1 の場合、プラズマは角度的像分離および相対的明るさの比にほとんど影響を及ぼさないことが判明し、これらの観測量がプラズマ摂動に対して頑健であることを示唆している。
• EGBブラックホールが均一なプラズマ中に存在する場合の強力偏光限界における偏光角が解析的に導出された。これにより、定量的なレンズ効果予測が可能になった。
• 光子球半径およびレンズ効果観測量は、αおよびプラズマ密度の両方に非自明に依存しており、修正重力とプラズマ効果の相互作用が顕著に現れている。
• 結果から、プラズマがEGB重力と一般相対性理論を強力場レンズ効果の場面で区別するためのプローブとして機能しうることを示した。特にαがゼロでない場合に顕著である。