[论文解读] Electromagnetic counterparts to gravitational waves from black hole mergers and naked singularities

Daniele Malafarina, Pankaj S. Joshi|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文提出，LIGO引力波信号GW150914的电磁对应体可能源自双黑洞并合过程中因时空拓扑变化而形成的瞬态裸奇点。瞬态裸奇点的存在将使吸积盘的辐射效率远高于标准黑洞并合，其亮度可超过爱丁顿极限，从而为费米探测到的高亮度爆发提供自然解释。

ABSTRACT

We consider the question here whether the proposed electromagnetic counterpart of the gravitational wave signals in binary black hole coalescence may be due to the appearance of a `short lived' naked singularity during the merger. We point out that the change in topology that the spacetime undergoes during the merger can cause the appearance of a naked singularity. In case some matter, in the form of a small accretion disk, is present in the surroundings of the black hole system then the emitted luminosity during the merger would allow to distinguish the scenario where the naked singularity forms from the scenario where the horizon exists at all times. In fact the emitted luminosity spectrum would be much higher in the case where a naked singularity forms as opposed to the `pure' black hole case. We suggest that the presence of such a transient naked singularity will explain the high luminosity of an electromagnetic counterpart during the merger much more easily.

研究动机与目标

• 研究GW150914观测到的高亮度电磁对应体是否可能源自双黑洞并合过程中形成的瞬态裸奇点。
• 探讨时空拓扑变化在黑洞并合过程中触发裸奇点的机制。
• 比较黑洞与裸奇点情景下的吸积盘亮度，评估其观测可区分性。
• 探讨电磁爆发的持续时间与亮度是否可约束瞬态奇点的寿命与性质。
• 评估此类事件作为近奇点处量子引力效应的观测探针的潜力。

提出的方法

• 分析黑洞并合过程中时空拓扑变化的物理含义，依据Geroch与Tipler的定理，该定理将拓扑变化与时空奇点联系起来。
• 应用宇宙审查假说及Joshi的结果，即拓扑变化意味着裸奇点的形成，论证并合过程中瞬态奇点的产生。
• 利用标准爱丁顿极限与相对论性吸积理论建模吸积盘亮度，特别关注最内层稳定圆轨道（ISCO）及其对中心天体性质的依赖性。
• 评估裸奇点情景下的亮度谱，表明由于无事件视界，辐射效率可显著提高。
• 估算裸奇点产生观测亮度（约10^49 erg/s）所需的吸积率，并与黑洞情景下的预期进行比较。
• 将爆发持续时间与视界形成及角动量耗散的特征 timescale 联系起来，该 timescale 与量子引力尺度相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞并合过程中的拓扑变化是否会导致瞬态裸奇点的形成？
• RQ2 黑洞与裸奇点情景下吸积盘的亮度有何差异？
• RQ3 费米探测到的与GW150914相关的伽马暴高亮度是否可用瞬态裸奇点而非黑洞来解释？
• RQ4 裸奇点需多大的吸积率才能产生观测到的电磁爆发亮度？
• RQ5 电磁爆发的持续时间是否可为量子引力尺度或裸奇点寿命提供约束？

主要发现

• 根据Geroch与Tipler的定理及Joshi的证明，双黑洞并合过程中的拓扑变化意味着裸奇点的形成。
• 裸奇点情景下无事件视界，使吸积盘亮度显著提高，其亮度谱在ISCO半径趋近于零时发散。
• 瞬态裸奇点可在仅10^-5 M☉/秒的吸积率下产生约10^49 erg/s的亮度，远低于黑洞达到该亮度所需的吸积率。
• 观测到的费米爆发亮度比60 M☉黑洞的爱丁顿极限高出十个百分点，表明裸奇点情景比黑洞极端吸积更合理。
• 电磁爆发的持续时间预计与视界形成及角动量耗散的特征 timescale 一致，该 timescale 与量子引力尺度相关。
• 通过对比亮度与爆发持续时间，可区分黑洞并合与瞬态裸奇点形成，为量子引力效应提供检验手段。