[论文解读] Does black hole continuum spectrum signal higher curvature gravity in higher dimensions

Indrani Banerjee, Bhaswati Mandal+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 81被引用 2

一句话总结

本文研究了类星体吸积盘的连续谱是否能揭示高阶曲率引力（f(R)）和额外维度的特征，通过分析黑洞解中的偏离。利用光学类星体数据和统计误差估计器，研究发现负电荷参数和渐近德西特时空——归因于高维f(R)引力——更符合观测结果，表明紫外修正与宇宙学常数起源之间可能存在关联。

ABSTRACT

Extra dimensions, which led to the foundation and inception of string theory, provide an elegant approach to force-unification. With bulk curvature as high as the Planck scale, higher curvature terms, namely f(R) gravity seems to be a natural addendum in the bulk action. These can not only pass the classic tests of general relativity but also serve as potential alternatives to dark matter and dark energy. With interesting implications in inflationary cosmology, gravitational waves and particle phenomenology it is worth exploring the impact of extra dimensions and f(R) gravity in black hole accretion. Various classes of black hole solutions have been derived which bear non-trivial imprints of these ultraviolet corrections to general relativity. This in turn gets engraved in the continuum spectrum emitted by the accretion disk around black holes. Since the near horizon regime of supermassive black holes manifest maximum curvature effects, we compare the theoretical estimates of disk luminosity with quasar optical data to discern the effect of the modified background on the spectrum. In particular, we explore a certain class of black hole solution bearing a striking resemblance with the well-known Reissner Nordstrom de Sitter/anti-de Sitter/flat spacetime which unlike general relativity can also accommodate a negative charge parameter. By computing error estimators like chi-square, Nash-Sutcliffe efficiency, index of agreement, etc. we infer that optical observations of quasars favor a negative charge parameter which can be a possible indicator of extra dimensions. The analysis also supports an asymptotically de Sitter spacetime with an estimate of the magnitude of the cosmological constant whose origin is solely attributed to f(R) gravity in higher dimensions.

研究动机与目标

• 探究额外维度和f(R)引力对黑洞吸积盘谱的影响。
• 检验高维中修正的黑洞解是否能解释观测到的类星体光学光度。
• 确定在体积极量中引入高阶曲率项是否会在天体物理数据中留下可观测的痕迹。
• 评估黑洞解中的负电荷参数是否可作为额外维度或f(R)引力效应的信号。
• 利用观测数据估算通过高维时空中的f(R)引力解释宇宙学常数起源的可能。

提出的方法

• 推导出一类在高维中的一般化Reissner-Nordström-de Sitter/anti-de Sitter/平坦时空的黑洞解，其具有非平凡电荷参数。
• 使用广义相对论吸积盘模型计算这些修正黑洞周围理论连续光度。
• 将理论吸积盘光度与类星体的观测光学数据进行比较，以约束模型参数。
• 应用卡方检验、纳什-萨特克利夫效率和一致性指数等统计误差估计器，量化模型拟合质量。
• 分析光谱特征对电荷参数和宇宙学常数的依赖关系，推断物理含义。
• 将观测到的宇宙学常数大小归因于高维体极时空中的f(R)引力效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 类星体吸积盘的连续谱能否探测到高维中高阶曲率引力的特征？
• RQ2 黑洞解中负电荷参数的存在是否表明额外维度的存在？
• RQ3 包含f(R)修正的修正黑洞解在多大程度上改善了与观测类星体光学光度的拟合？
• RQ4 观测到的宇宙学常数大小是否能仅通过高维时空中的f(R)引力来解释？
• RQ5 卡方检验和纳什-萨特克利夫效率等统计误差度量如何支持或否定修正引力模型？

主要发现

• 类星体的光学观测倾向于支持黑洞解中的负电荷参数，这在标准广义相对论中不被允许，但在高维f(R)框架中是允许的。
• 分析表明，具有负电荷参数的修正黑洞时空比标准模型更符合类星体数据。
• 卡方检验和纳什-萨特克利夫效率等统计误差估计器支持修正模型，表明其与观测结果的拟合度更高。
• 数据倾向于渐近德西特时空，宇宙学常数的大小被完全归因于高维中的f(R)引力。
• 结果表明，体积极量中的高阶曲率项可能自然解释观测到的宇宙学常数，而无需引入暗能量。
• 本研究提供了间接的观测证据，将高维中的f(R)引力与类星体光度和时空几何等天体物理现象联系起来。