[论文解读] Modified Kerr black holes surrounded by dark matter spike

Salvatore Capozzıello, Soroush Zare+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2023

Black Holes and Theoretical Physics被引用 10

一句话总结

该论文在 Bumblebee 重力场中，带有全球单极子的暗物质尖峰，建模 Kerr 类黑洞，利用修改后的 TOV 和 Newman-Janis 方法推导 Schwarzschild-like 和旋转解，并使用 EHT 对 M87* 和 Sgr A* 的观测来约束 BGGM 参数。

ABSTRACT

We study supermassive black holes (SMBH), surrounded by a dark matter (DM) spike, that can be found at the centers of Milky Way and $ ext{M87}$ galaxies and are accompanied by a specific kind of topological defect. The investigation is developed within the framework of Bumblebee Gravity with a global monopole (BGGM). The dark matter spike is described by a power-law density profile. Our main objective is to assess how the background arising from spontaneous Lorentz symmetry breaking and the presence of a global monopole influence the properties of the Kerr BH within the region affected by the spike. Using a spherically symmetric static BH with BGGM properties as the seed metric, we construct a non-rotating spacetime with a DM spike, resulting in a BGGM-motivated Schwarzschild-like BH by solving the modified Tolman-Oppenheimer-Volkoff equations (TOV). Next, we extend this approach to the case of a rotating spacetime resulting in the BGGM-motivated Kerr-like BH (BGMKLBH). This approach allows us to explore the spacetime structure, and the BGMKLBH shadows. Then, using available observational data for the DM spike density and considering the effects of BGGM on $ ext{Sgr A}^{*}$ and $ ext{M87}^{*}$ SMBHs, we analyse the shapes of their shadows and put constraints on the BGGM parameter. Thus, we infer that the BGMKLBHs could be reliable candidates for the astrophysical BHs.

研究动机与目标

• 评估自发洛伦兹对称性破缺和全球单极子如何影响带暗物质尖峰的黑洞时空。
• 在 DM 尖峰中使用两种方法（修改的 TOV 与修改的爱因斯坦方程）构建 BGGM 黑洞的 Schwarzschild 类和 Kerr 类解。
• 通过修改的 Newman-Janis 算法扩展到旋转时空，分析视界、静态极限面、翻转子区和阴影。
• 确定 DM 尖峰参数和 BGGM 耦合如何改变阴影的形状和大小，并与 EHT 观测进行比较以约束 BGGM。

提出的方法

• 以球对称的 BGGM 初始度量为起点，引入具有幂律密度分布的 DM 尖峰。
• 求解修改后的 Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) 方程以获得 BGMSLBH 度量。
• 或者利用带有 DM 尖峰和 BGGM 能-动量张量贡献的修改爱因斯坦场方程求解（XHGW 方法）。
• 使用修改后的 Newman-Janis 算法扩展到旋转度量，得到 BGMKLBH 时空。
• 在尖峰区域分析视界、静态极限面、翻转子区和阴影。
• 使用 EHT 对 M87* 和 Sgr A* 的阴影观测来约束 BGGM 参数 q。

实验结果

研究问题

• RQ1 BGGM 效应与暗物质尖峰如何改变 Schwarzschild 类黑洞的视界结构和因果区域？
• RQ2 BGGM 参数和 DM 尖峰对旋转 BGGM 黑洞的阴影形状和尺寸有何影响？
• RQ3 在 DM 尖峰框架内，EHT 对 M87* 和 Sgr A* 的观测能否约束 BGGM 参数？
• RQ4 两种分析方法（修改的 TOV 与 XHGW）在预测 BGMSLBH/BGMKLBH 时空方面有何比较？
• RQ5 在 EHT 约束下，所得阴影是否仍与 Kerr 预测一致？

主要发现

• BGGM 参数和 DM 尖峰会使视界位置和阴影特性相对于 Schwarzschild/Kerr 情况发生改变。
• 旋转的 BGMSLBH 时空 (BGMKLBH) 因为 q 与 ρ_sp 导致视界、SLS 和翻转子区的改变。
• 阴影变形和尺寸取决于自转参数 a 和 BGGM 参数 q。
• M87* 和 Sgr A* 的 EHT 阴影数据允许与 BGMKLBH 的参数空间重叠，表明 BGGM 黑洞可能是天体候选对象。
• 两种构造方法（基于 TOV 与基于 XHGW）在尖峰区域提供兼容的 BGMSLBH/BGMKLBH 解，便于约束分析。