[论文解读] Charged particle motion and acceleration around Kerr-MOG black hole

Saeed Ullah Khan, Javlon Rayimbaev+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 7

一句话总结

本文研究了在Kerr-MOG黑洞周围通过磁性彭罗斯过程（MPP）实现带电粒子的动力学与加速，结合了标量-张量-向量引力（STVG）和磁场。结果表明，STVG参数α可稳定圆形轨道，并使质子在中等磁场的超大质量黑洞附近被加速至极高能量（高达10²¹ eV），表明Kerr-MOG黑洞是超高能宇宙射线（UHECRs）的可行来源。

ABSTRACT

One of the most important issues in relativistic astrophysics is to explain the origin mechanisms of (ultra)high energy charged particle components of cosmic rays. Black holes (BHs) being huge reservoirs of (gravitational) energy can be candidates for such particle sources. The main idea of this work is to study the effects of scalar-tensor-vector gravity (STVG) on particle acceleration by examining charged particle dynamics and their acceleration through the magnetic Penrose process (MPP) near magnetized Kerr-MOG BHs. First, we study the horizon structure of the BH. Also, we study the effective potential to gain insight into the stability of circular orbits. Our results show that the magnetic field can extend the region of stable circular orbits, whereas the STVG parameter reduces the {instability} of the circular orbit. The motion of charged particles around the magnetized BH reveals various feasible regimes of the ionized Keplerian disk behavior. Thus, from the examination of particle trajectories we observe that at fixed values of other parameters, the Schwarzschild BH captures the test particle; in the case of Kerr BH, the test particle escapes to infinity or is captured by the BH, while in Kerr-MOG BH, the test particle is trapped in some region around BH and starts orbiting it. On investigating the MPP, we found that with increasing magnetic field, the behavior of orbits becomes more chaotic. As a result, the particle escapes to infinity more quickly.

研究动机与目标

• 研究标量-张量-向量引力（STVG）在改变Kerr-MOG黑洞附近几何结构与粒子动力学中的作用。
• 分析磁场和STVG参数α对圆形轨道稳定性和粒子轨迹的影响。
• 评估磁性彭罗斯过程（MPP）在将带电粒子加速至超高能量方面的效率。
• 评估超大质量Kerr-MOG黑洞作为超高能宇宙射线（UHECRs）来源的天体物理学可行性。

提出的方法

• 在标量-张量-向量引力（STVG）框架内推导Kerr-MOG黑洞解，引入STVG参数α。
• 通过分析事件视界结构和有效势能，评估在不同α值和自旋参数a下的轨道稳定性。
• 在Kerr-MOG时空中的赤道平面上，利用测地线方程建模带电粒子的运动，考虑均匀磁场。
• 应用磁性彭罗斯过程（MPP）计算粒子能量提取效率，考虑电离的开普勒盘条件。
• 通过粒子轨迹的数值积分对动力学行为进行分类：稳定振荡运动、混沌环状态，以及逃逸或坠落行为。
• 估算在真实磁场强度下，已知超大质量黑洞（如Sgr A*、M87*）所能达到的最大粒子能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 STVG参数α如何影响Kerr-MOG黑洞周围圆形轨道的稳定性？
• RQ2 均匀磁场对磁化Kerr-MOG黑洞附近带电粒子的有效势能和轨道动力学有何影响？
• RQ3 在Kerr-MOG时空中的磁性彭罗斯过程（MPP）能否产生能量超过10²⁰ eV的超高能宇宙射线（UHECRs）？
• RQ4 在相同初始条件下，带电粒子轨迹在Schwarzschild、Kerr和Kerr-MOG黑洞之间有何差异？
• RQ5 在Kerr-MOG框架下，实现UHECR能量所需的磁场强度和黑洞质量分别为多少？

主要发现

• STVG参数α降低了黑洞视界附近圆形轨道的不稳定性，相较于标准Kerr黑洞，显著增强了轨道稳定性。
• 均匀磁场扩展了稳定圆形轨道的区域，并有助于赤道平面上带电粒子轨迹的稳定。
• 在Kerr-MOG黑洞中，带电粒子主要被困在黑洞周围的束缚环状区域，而不同于Schwarzschild或Kerr情况中粒子要么逃逸要么被俘获。
• 在Kerr-MOG框架中，磁性彭罗斯过程（MPP）的能量放大因子超过10¹⁰，使质子在10¹⁰ M☉黑洞、B = 10⁴ G磁场下可被加速至10²¹ eV。
• 对于M87*（7×10⁹ M☉），在100 G磁场下可实现10¹⁹ eV的UHECR能量；而Sgr A*（4×10⁶ M☉）在B = 10 G下可产生高达10¹⁵.⁶ eV的粒子。
• 由于快速的同步辐射损耗，相对论性电子难以存活，因此在此模型中，较重的原子核更可能是观测到的UHECR的候选者。