[论文解读] Horizon-scale tests of gravity theories and fundamental physics from the Event Horizon Telescope image of Sagittarius A$^*$

Sunny Vagnozzi, Rittick Roy+13 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 32

一句话总结

论文利用 EHT 图像的 Sgr A* 来在广泛的引力理论与基本物理情景中，通过将观测到的环/阴影尺寸与理论预测进行比较，利用质量-距离比及环与阴影尺寸的标定来约束。

ABSTRACT

Horizon-scale images of black holes (BHs) and their shadows have opened an unprecedented window onto tests of gravity and fundamental physics in the strong-field regime. We consider a wide range of well-motivated deviations from classical General Relativity (GR) BH solutions, and constrain them using the Event Horizon Telescope (EHT) observations of Sagittarius A$^*$ (Sgr A$^*$), connecting the size of the bright ring of emission to that of the underlying BH shadow and exploiting high-precision measurements of Sgr A$^*$'s mass-to-distance ratio. The scenarios we consider, and whose fundamental parameters we constrain, include various regular BHs, string-inspired space-times, violations of the no-hair theorem driven by additional fields, alternative theories of gravity, novel fundamental physics frameworks, and BH mimickers including well-motivated wormhole and naked singularity space-times. We demonstrate that the EHT image of Sgr A$^*$ places particularly stringent constraints on models predicting a shadow size larger than that of a Schwarzschild BH of a given mass, with the resulting limits in some cases surpassing cosmological ones. Our results are among the first tests of fundamental physics from the shadow of Sgr A$^*$ and, while the latter appears to be in excellent agreement with the predictions of GR, we have shown that a number of well motivated alternative scenarios, including BH mimickers, are far from being ruled out at present.

研究动机与目标

• 评估 EHT 图像中的猎户座A* 如何在广泛的引力理论与黑洞拟像中约束对广义相对论的偏离。
• 将观测到的明亮环角尺寸与在各种时空度量下的理论黑洞阴影尺寸联系起来。
• 利用 Sgr A* 的质量-距离比来量化曲率-势及其他基本物理参数的界限。
• 探讨 Sgr A* 与 M87* 在强场引力测试中所探测的区域差异。

提出的方法

• 将 Sgr A* EHT 图像中明亮环的观测角半径与在多种时空度量下计算的阴影半径进行比较。
• 利用 Keck 与 VLTI 测量得到的 Sgr A* 的质量-距离比来标定阴影尺寸预测。
• 定义并使用推断出的阴影半径与 Schwarzschild 阴影半径之间的分数偏差 delta：delta = r_sh/(3√3 M) − 1。
• 限定分析在静态球对称度量上，以避免自旋相关的阴影尺寸退化。
• 采用环到阴影尺寸映射的标定因子，并传播来自质量、距离和发射建模的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定 Sgr A* 阴影尺寸下，对非 Schwarzschild 时空和黑洞拟像有哪些约束？
• RQ2 Sgr A* 阴影尺寸如何限制在给定质量下阴影半径大于 Schwarzschild 的模型？
• RQ3 Sgr A* 的测量与 M87* 相比，在研究强场引力区域方面有何差异？
• RQ4 质量-距离标定和发射物理对替代引力理论界限有何影响？

主要发现

• EHT 数据对预测阴影大于 Schwarzschild 值 3√3 M 的模型施加约束，其中一些界限甚至超过了宇宙学尺度的界限。
• 来自 Keck 与 VLTI 的平均 δ 指向对小于 Schwarzschild 的阴影略有偏好，在 1σ–2σ 区间内。
• 将阴影尺寸界限转化为 r_sh/M 的 1σ 区间：4.55 到 5.22，2σ 区间：4.21 到 5.56。
• 结果依赖于对 Sgr A* 的质量-距离比的良好测量，使这一强健测试不依赖于具体的引力理论。
• 该方法对球对称度量具有鲁棒性，且利用 Sgr A* 的阴影对多种引力情景提供了第一性原理测试。
• 分析强调 Sgr A* 与 M87* 探测到的是不同的曲率区间，提供互补的强场测试。