[論文レビュー] The Magnetospheric Eternally Collapsing Object (MECO) Model of Galactic Black Hole Candidates and Active Galactic Nuclei

Stanley L. Robertson, D. Leiter|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2006

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、一般相対性理論に基づくブラックホールの代替として、磁気圏恒久的崩壊物体（MECO）モデルを提唱する。このモデルでは、等分配磁場とコンプトン光子圧力によって駆動されるEddington限界に従うゆっくりとした崩壊を経て、恒久的崩壊が起こることで、事象の地平線を回避する。MECOモデルは、特異点や閉じ込められた表面を伴わず、固有の磁気モーメントと極端な重力赤方偏移を用いて、銀河系ブラックホール候補および活動銀河核のスペクトル的・時間的・ジェット的性質を説明する。

ABSTRACT

The spectral, timing, and jet formation properties of neutron stars in low mass x-ray binary systems are influenced by the presence of central magnetic moments. Similar features shown by the galactic black hole candidates (GBHC) strongly suggest that their compact cores might be intrinsically magnetic as well. We show that the existence of intrinsically magnetic GBHC is consistent with a new class of solutions of the Einstein field equations of General Relativity. These solutions are based on a strict adherence to the Strong Principle of Equivalence (SPOE) requirement that the world lines of physical matter must remain timelike in all regions of spacetime. The new solutions emerge when the structure and radiation transfer properties of the energy momentum tensor on the right hand side of the Einstein field equations are appropriately chosen to dynamically enforce this SPOE requirement of timelike world line completeness. In this context, we find that the Einstein field equations allow the existence of highly red shifted, Magnetospheric, Eternally Collapsing Objects (MECO). MECO necessarily possess intrinsic magnetic moments and they do not have trapped surfaces that lead to event horizons and curvature singularities. Their most striking features are equipartition magnetic fields, pair plasma atmospheres and extreme gravitational redshifts. Since MECO lifetimes are orders of magnitude greater than a Hubble time, they provide an elegant and unified framework for understanding a broad range of observations of GBHC and active galactic nuclei. We examine their spectral, timing and jet formation properties and discuss characteristics that might lead to their confirmation.

研究の動機と目的

• 銀河系ブラックホール候補（GBHC）および活動銀河核（AGN）における事象の地平線の直接的証拠の欠如を解決するため、ブラックホールの物理的に整合性のある代替を提案すること。
• 一般相対性理論および強力な等価原理（SPOE）に基づく統一的枠組みを用いて、GBHCおよびAGNの観測されたスペクトル的・時間的・ジェット的性質を説明すること。
• コンパクトな物体に内在する磁気モーメントが、ブラックホール降着によって説明されてきた、静止状態のパワーロウX線放射および低状態ジェットを説明できることを示すこと。
• エネルギー運動量テンソルにおける非重力的力が、閉じ込められた表面および曲率特異点の不在を強制することで、MECO解において時空的世界線の完全性が保たれることを示すこと。
• Vaidya計量とペアプラズマ大気における量子電磁力学（QED）プロセスを用いて、安定で長寿命な崩壊を可能にするMECO存在の理論的根拠を提供すること。

提案手法

• 強力な等価原理（SPOE）を厳密に遵守し、すべての質量を持つ粒子の世界線が時空全域で時的であることを要請する。
• SPOE準拠を強制する非重力的成分を有する構造化されたエネルギー運動量テンソルを用いて、Einstein-Maxwell方程式の解を構築する。
• MECOを時間に依存するVaidya計量に従う放射的・崩壊的物体としてモデル化し、Kerr-Schild形式への座標変換を経由せずに、恒常的でEddington限界に従う崩壊を可能にする。
• 固有の等分配磁気双極子場におけるシンクロtron放射からのコンプトン光子圧力を用いて、崩壊を動的に停止または遅滞させる。
• 表面ペアプラズマにおけるQEDプロセスを用いて、必要な磁場を生成・維持し、安定で極端に赤方偏移した崩壊を可能にする。
• 一般相対性理論的プラズマ天文学を適用して、表面のドリフト電流および赤道面の極向磁場を導出し、MECO構造を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系ブラックホール候補および活動銀河核の観測されたスペクトル的・時間的性質は、事象の地平線や特異点を仮定せずに説明可能か？
• RQ2 コンパクトな物体に内在する磁気モーメントは、中性星およびブラックホール候補の両方における静止状態のパワーロウX線放射および低状態ジェットを統一的に説明可能か？
• RQ3 エネルギー運動量テンソルに非重力的成分を導入することで、一般相対性理論における強力な等価原理を満たし、閉じ込められた表面の形成を防げるか？
• RQ4 MECOにおける極端な重力赤方偏移およびペアプラズマ大気は、AGNおよびGBHCの観測X線および電波放射にどのように影響を与えるか？
• RQ5 Kerr-Schild計量ではなく、Vaidya計量が、固有の磁気モーメントを有する放射的・崩壊的コンパクト物体を物理的に整合的に記述できるか？

主な発見

• SPOE要請のもとで、Einstein-Maxwell方程式のMECO解が存在し、時的世界線完全性を動的に強制することで、事象の地平線および曲率特異点を回避する。
• MECO物体は、10^29–30ガウス cm³のオーダーの固有磁気モーメントを有し、GBHCおよびミリ秒パulsarにおける観測された回転減速率および静止状態X線光度と整合的である。
• GBHCの静止状態X線スペクトル（光子指数〜1.7）は、磁気圏の回転減速放射として説明され、光度は活性状態と比較して約10^3–10^6倍低いと予測される。
• MECOモデルは、固有の双極磁場およびペアプラズマ大気を介して、GBHCおよびAGNにおける観測されたジェット形成およびシンクロtron放射を再現する。
• Vaidya計量はMECOの外部時空を記述し、VaidyaとKerr-Schild計量の間には座標変換が存在しないため、これらの系に対して標準的なブラックホールモデルは不成立である。
• クェーサーQ0957+561からの観測的証拠は、コンパクト物体に固有の磁気双極子場が存在することを支持しており、これはKerr-Schild計量を用いた標準的なGRMHDシミュレーションでは説明できない。