[論文レビュー] Thin accretion disk around a rotating Kerr-like black hole in Einstein-bumblebee gravity model

Changqing Liu Chikun Ding, Jiliang Jing|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 24

ひとこと要約

本稿は、ビューマーベースベクトル場によるローレンツ対称性の自発的破れを伴うアインシュタイン・ビューマーベース重力理論における回転するカー型ブラックホールの薄い降着円盤を調査する。測地線方程式と放射輸送の数値解法を用いて、ローレンツ対称性破れのパラメータ 𝑙 がエネルギーフラックス、放射スペクトル、降着効率に顕著な影響を与えることが示された。これは強引力領域におけるローレンツ対称性破れの観測的検証の可能性を示唆する。

ABSTRACT

We study the accretion process in the thin disk around a rotating Kerr-like black hole in Einstein-bumblebee gravity model where Lorentz symmetry is spontaneously broken once a vector field acquires a vacuum expectation value. In the present paper we obtain the energy flux, the emission spectrum and accretion efficiency from the accretion disks around the rotating Kerr-like black hole, and we compare them to the general Kerr case. These significant features in the mass accretion process may provide a possibility to test whether the Lorentz symmetry is spontaneously broken or not in the Einstein-bumblebee gravity model by future astronomical observations.

研究の動機と目的

• アインシュタイン・ビューマーベース重力理論において、ローレンツ対称性が自発的に破れる環境下で、回転するカー型ブラックホールの時空における薄い降着円盤の性質を分析すること。
• ローレンツ対称性破れのパラメータ 𝑙 がエネルギーフラックス、温度分布、放射スペクトル、降着効率といった主要な観測量に与える影響を調査すること。
• 一般相対性理論における標準的カー黑洞との比較を通じて、ローレンツ対称性破れの顕著な観測的兆候を同定すること。
• 将来の天文学的観測による降着円盤放射の観測から、アインシュタイン・ビューマーベース重力理論と一般相対性理論を区別する可能性を評価すること。

提案手法

• 重力場方程式の正確な解を用いて、回転するカー型ブラックホールのアインシュタイン・ビューマーベース重力理論における時空の赤道面内を運動する時空的粒子の測地線方程式を導出する。
• 円運動する粒子の臨界安定円軌道半径 𝑟𝑚𝑠、比エネルギー 𝐸̃、比角運動量 𝐿̃、および角速度 Ω を計算する。
• 相対論的薄円盤モデルと運動量-エネルギー保存則を用いて、円盤表面におけるエネルギーフラックス 𝐹(𝑟) と温度分布 𝑇(𝑟) を計算する。
• 赤方偏移補正を用いたプランク型黒体放射の式を用いて、スペクトルを評価する。観測周波数は 𝜈𝑒 = 𝜈(1 + 𝑧) で与えられる。
• 周波数依存の全放射光度を、式 𝐿(𝜈) = ∫∫ 𝐼(𝜈) 𝑑𝜈 𝑑𝐴（ただし 𝑑𝐴 = √−𝐺 𝑑𝑟 𝑑𝜙）を数値的に積分することで得る。
• 固定されたブラックホール質量と降着率のもとで、ローレンツ対称性破れパラメータ 𝑙 と回転パラメータ 𝑎 の異なる値における結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アインシュタイン・ビューマーベース重力理論におけるローレンツ対称性破れパラメータ 𝑙 は、回転するブラックホールの周囲の薄い降着円盤におけるエネルギーフラックスと温度分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 一般相対性理論における標準的カー黑洞と比較して、アインシュタイン・ビューマーベース重力理論におけるカー型ブラックホールの降着円盤の放射スペクトルにどのような相違が生じるか？
• RQ3 特に高速回転ブラックホールにおいて、ローレンツ対称性破れパラメータ 𝑙 が降着効率 𝜂 にどのように変化するか？
• RQ4 放射スペクトルのカットオフ周波数とピーク光度が、パラメータ 𝑙 の正負を区別できるか？
• RQ5 回転パラメータ 𝑎 は、ローレンツ対称性破れの影響を円盤の物理的性質にどの程度強化するか？

主な発見

• 非回転ブラックホール（𝑎 = 0）の場合、正の 𝑙 が大きくなるとエネルギーフラックス、放射温度、カットオフ周波数は減少するが、ピーク光度と降着効率は 𝑙 とは無関係に保たれる。
• 𝑎 = 0 の場合、臨界安定軌道半径 𝑟𝑚𝑠、比エネルギー 𝐸̃、比角運動量 𝐿̃、角速度 Ω はシュバルツシルト解と同一であり、これによりピーク光度と効率が 𝑙 に依存しないことが説明される。
• 高速回転ブラックホール（𝑎 → 𝑀）の場合、正の 𝑙 を大きくするとエネルギーフラックス、温度、観測光度、カットオフ周波数が著しく増加するが、負の 𝑙 を小さくするとそれほど顕著に減少しない。
• 放射スペクトルの観点から、高スピンブラックホールでは正の 𝑙 がカットオフ周波数とピーク光度を増加させ、負の 𝑙 はそれらを減少させる。この効果はスピンが高くなるほど顕著になる。
• 降着効率 𝜂 は、ローレンツ対称性破れを伴うカー型ブラックホールの方が、一般相対性理論のカー黑洞よりも高いことが示され、ローレンツ対称性破れの存在下では質量から放射への変換がより効率的であることが示唆される。
• スペクトルエネルギー分布の解析から、ローレンツ対称性破れパラメータ 𝑙 の影響は回転が大きくなるに従いますます顕著になることが明らかとなり、高スピンブラックホールはローレンツ対称性破れの検証に最適な候補である。