[论文解读] Pulsars as a tool to detect event horizons

Prashant Kocherlakota, Sudip Bhattacharyya+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文提出利用靠近致密天体时因参考系拖曳效应引起的脉冲星自转进动作为探测事件视界的诊断工具。当脉冲星绕黑洞运行得更近时，其自转进动速率急剧增加，导致脉冲频率和引力波辐射显著上升；这种行为与在裸奇点附近的表现有显著差异，从而可通过电磁波与引力波信号实现视界探测。

ABSTRACT

Spinning collapsed objects like Kerr black holes or naked singularities cause the spin axes of pulsars in their vicinity to precess significantly due to frame-dragging. Here we report that the spin-precession rate, and hence the observed pulse rate, of such a pulsar moving in a circular orbit near an event horizon rises sharply as the orbit shrinks. This provides a new way to detect such a horizon, not only from an observed high electromagnetic pulse rate, but also from a plausible detection of gravitational waves due to the increased pulsar spin. The pulsar, approaching the event horizon, should eventually be disrupted causing a new astronomical phenomenon, which we call a spin-precessional disruption event (SPDE). We argue that a significant difference between the radioactive glow of an SPDE and that of a tidal disruption event of a pulsar near a naked singularity could distinguish such a singularity from a black hole.

研究动机与目标

• 通过致密天体附近的脉冲星动力学识别事件视界的新观测特征。
• 解决难以区分黑洞与裸奇点的问题，因二者在观测上原本极为相似。
• 提出一种不依赖直接成像的事件视界探测方法，而是通过测量脉冲星脉冲频率与引力波辐射的变化实现。
• 模拟脉冲星在黑洞与裸奇点附近被破坏时的电磁波与引力波辐射特征。
• 建立用于识别自转进动破坏事件（SPDE）作为事件视界唯一指标的标准。

提出的方法

• 建模旋转黑洞或裸奇点的Kerr度规对脉冲星自转轴引起的参考系拖曳效应。
• 计算脉冲星在圆形轨道上随轨道半径变化的自转进动速率，显示其在事件视界附近发散。
• 预测轨道收缩时因进动增强导致的观测脉冲频率显著上升。
• 估算脉冲星自转加速引起的引力波辐射，将其与进动速率关联。
• 比较黑洞附近与裸奇点附近的SPDE电磁辐射特征，识别其区别特征。
• 利用广义相对论动力学模拟破坏过程，预测可观测信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 靠近致密天体的脉冲星自转进动速率是否能提供事件视界存在的独特特征？
• RQ2 由于参考系拖曳引起的进动，当脉冲星接近黑洞时，其脉冲频率如何变化？
• RQ3 脉冲星在黑洞附近与裸奇点附近被破坏时，其电磁波与引力波辐射特征有何不同？
• RQ4 自转进动破坏事件（SPDE）能否与潮汐破坏事件在可观测辐射上区分开来？
• RQ5 通过电磁波与引力波天文台探测此类事件需满足哪些条件？

主要发现

• 在Kerr黑洞附近，脉冲星在圆形轨道上运行时，其自转进动速率在接近事件视界时急剧增加。
• 这导致观测到的脉冲频率显著上升，可能被灵敏的电磁望远镜探测到。
• 由于自转进动引起的引力波辐射在视界附近预计会大幅增强，提供互补的探测通道。
• 黑洞附近发生的自转进动破坏事件（SPDE）的电磁辐射特征与在裸奇点附近类似事件的特征不同，可实现有效区分。
• 在黑洞附近发生的脉冲星破坏产生独特的多信使信号，结合高频脉冲与增强的引力波。
• 所提出的方法提供了一种新的、间接探测事件视界的途径，无需直接成像或稳定轨道观测。