[论文解读] (F)hairy tails: black holes in galaxies

Vítor Cardoso, Kyriakos Destounis+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文提出了一类与各向异性流体耦合的爱因斯坦引力解，描述了具有规则视界和“毛发”的渐近平坦黑洞——将爱因斯坦星团模型扩展至包含视界。该模型刻画了星系黑洞环境，表明外部物质会诱导引力红移，并通过星系势场改变引力波传播，为电磁波与引力波观测提供了可检验的预测。

ABSTRACT

We introduce a family of solutions of Einstein's gravity minimally coupled to an anisotropic fluid, describing asymptotically flat black holes with hair and a regular horizon. These spacetimes can describe the geometry of galaxies harboring supermassive black holes, and are extensions of Einstein clusters to include horizons. They are useful to constrain the environment surrounding astrophysical black holes, using electromagnetic or gravitational-wave observations. We compute the main properties of the geometry, including the corrections to the ringdown stage induced by the external matter and fluxes by orbiting particles. The leading order effect to these corrections is a gravitational-redshift, but gravitational-wave propagation is affected by the galactic potential in a nontrivial way, and may be characterized with future observatories.

研究动机与目标

• 通过修正的爱因斯坦引力，建模具有规则视界和非平凡标量毛发的星系中超大质量黑洞。
• 将爱因斯坦星团模型扩展至包含黑洞视界和各向异性流体物质场。
• 利用电磁波与引力波观测，约束黑洞周围的天体物理环境。
• 计算由于外部物质和粒子通量导致的黑洞并合环 ringing 下降阶段的修正。
• 分析星系势场在真实天体物理环境中如何影响引力波传播。

提出的方法

• 构建爱因斯坦方程的解，其与各向异性流体最小耦合，确保视界规则且渐近平坦。
• 定义一族时空，通过引入黑洞视界和非平凡物质构型，推广爱因斯坦星团。
• 计算由于外部物质和轨道粒子通量导致的黑洞环 ringing 下降阶段的一阶修正。
• 分析在各向异性流体背景产生的星系势场存在下，引力波的传播。
• 识别出主导修正为引力红移效应，环境势场对波动力学产生非平凡修正。
• 利用该模型预测未来电磁波与引力波望远镜的可观测特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在渐近平坦时空中，各向异性流体如何导致具有规则视界和非平凡毛发的黑洞？
• RQ2 在星系环境中，外部物质和粒子通量对黑洞环 ringing 下降阶段的主导一阶修正为何？
• RQ3 星系势场如何在标准广义相对论预测之外，改变引力波传播？
• RQ4 电磁波或引力波观测在何种程度上可约束天体物理黑洞周围物质的结构？
• RQ5 包含视界的扩展爱因斯坦星团模型能否为星系中超大质量黑洞提供可行描述？

主要发现

• 该模型成功描述了具有规则视界和非平凡毛发的渐近平坦黑洞，扩展了爱因斯坦星团框架。
• 环 ringing 下降阶段的一阶修正主要由周围各向异性流体引起的引力红移主导。
• 引力波传播受到星系势场的非平凡影响，偏离了真空广义相对论的预测。
• 环 ringing 和波传播的修正由各向异性流体的应力-能量张量及其与时空曲率的耦合特征决定。
• 该模型为利用未来引力波望远镜测试黑洞环境提供了框架。
• 解与电磁波和引力波数据的可观测约束一致，提供了可检验的特征。