[论文解读] Is the Carter-Israel conjecture correct?

Cosimo Bambi, Katherine Freese+1 more|ArXiv.org|Aug 22, 2009

Nuclear Issues and Defense参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文通过提出超自旋、无视界且满足 $ a/M > 1 $ 的致密天体可能形成，检验卡特-艾布拉姆森猜想（即引力坍缩产生克尔-纽曼黑洞）是否成立。利用银河系中心人马座A*的亚毫米波长甚长基线干涉测量（VLBI）观测，研究发现此类天体将产生具有内部明亮斑点的阴影图像，这是由于靠近等离子体的直接辐射所致，与黑洞的暗影形成鲜明对比，从而为未来观测提供可检验的特征，以区分黑洞与超自旋致密天体。

ABSTRACT

According to the Carter-Israel conjecture, the end-state of the gravitational collapse of matter is a Kerr-Newman black hole. Nevertheless, neither the theory nor observations can confirm that. In this talk, we discuss the possibility that the collapsing matter can create a super-spinning compact object with no event horizon, and we show how near future observations at sub-millimeter wavelength of SgrA* can test this scenario for the black hole candidate in the Galactic Center.

研究动机与目标

• 评估卡特-艾布拉姆森猜想的有效性，该猜想认为引力坍缩导致产生克尔-纽曼黑洞。
• 探讨坍缩物质可能形成具有 $ a/M > 1 $ 且无事件视界的超自旋致密天体的可能性。
• 提出利用银河系中心SgrA*的亚毫米波长干涉测量技术，提出可检验的观测特征。
• 基于吸积流图像，区分黑洞与无视界超自旋天体模型。

提出的方法

• 利用在无穷远处角动量为零的准束缚类时轨道，以及 $ 1/r^2 $ 辐射效率，建模致密天体周围的吸积流。
• 对黑洞（$ a/M = 0.9999 $）和超自旋天体（$ a/M = 1.0001 $，$ a/M = 2 $，半径为 $ 0.1M $，且表面完全吸收）的吸积流进行亚毫米波图像模拟。
• 假设等离子体在频率高于500 GHz时变为光学薄，从而可直接观测致密天体的“阴影”。
• 使用甚长基线干涉测量（VLBI）预测观测到的辐射区域在表观尺寸和结构上的差异。
• 比较黑洞（具有暗影）与超自旋天体（由于小半径区域的辐射未受阻碍，阴影内部存在明亮斑点）的预测亮度图。
• 分析当前1.3毫米观测中SgrA*的表观直径，以约束该源是否与黑洞一致，或是否允许存在无视界超自旋天体。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来亚毫米波长VLBI观测能否区分克尔黑洞与 $ a/M > 1 $ 的超自旋致密天体？
• RQ2 SgrA*在1.3毫米波段观测到的表观尺寸是否支持存在事件视界，或是否允许无视界超自旋天体的存在？
• RQ3 由于缺乏事件视界，黑洞与超自旋致密天体的吸积流亮度图有何不同？
• RQ4 若银河系中心天体为超自旋致密天体而非黑洞，将产生何种观测特征？
• RQ5 视界的缺失是否会导致由于小半径区域辐射未受阻碍，从而在致密天体阴影内部形成可观测的明亮斑点？

主要发现

• SgrA*在1.3毫米波段的本征直径为 $ 37^{+16}_{-10} $ $\mu$as，小于施瓦茨希尔德黑洞（52 $\mu$as）或克尔黑洞（45 $\mu$as）的最小预期值，提示其可能偏离标准黑洞模型。
• 若SgrA*为 $ a/M > 1 $ 的超自旋天体，则其光球层半径可小于事件视界半径，从而允许其表观尺寸小于黑洞模型的预测值。
• 在无事件视界的情况下，靠近致密天体区域的辐射可直接传播至观测者，导致阴影内部出现更明亮的特征，与黑洞模型形成对比。
• 预测的 $ a/M = 2 $ 超自旋天体图像显示，由于表面附近引力红移可忽略，阴影内部存在明显的明亮斑点，与黑洞的暗影形成鲜明对比。
• 未来在500 GHz以上频率的亚毫米波VLBI观测有望解析阴影并探测此类结构差异，从而为卡特-艾布拉姆森猜想提供直接检验。
• 若观测到阴影内部存在明亮斑点，则表明其为无视界超自旋天体；而若为暗淡且无特征的阴影，则支持黑洞假说。