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Black Hole Shadow について 早稲田大学 前田 恵一 Kenta Hioki, & KM, Phys.Rev. D80, 024042, ’09

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Black Hole Shadow について

早稲田大学

前田 恵一

Kenta Hioki, & KM, Phys.Rev. D80, 024042, ’09

Page 2: Black Hole Shadow - Yamaguchi U · 2014. 10. 20. · Black Hole Shadow について 早稲田大学 前田 恵一 Kenta Hioki, & KM, Phys.Rev. D80, 024042, ’09

General Relativity A. Einstein (1915)

First confirmed by A. Eddington (1919)

Light Bending at the Solar Eclipse

After ’60 (radio astronomy),

There are many observations.

C. Will,

Living Review, Relativity, 9, (2006), 3

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Light Bending (Test of GR) Gravitational Lensing (Astrophysics)

0957 + 561 A, B: twin quasars or gravitational lens?

Walsh, Carswell, Weymann (’79)

Many gravitational lens objects

Einstein ring

ring cross arc twin

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Dark matter distribution

R. Massey et al, Nature 445, 286 (’07)

Perturbation of CMB anisotropies by gravitational lensing (Planck)

Mass Distribution back to the last-scattering

Cosmology

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Black Hole How to observe it ?

Direct Observation

Gravitational waves : Quasi-normal modes of a black hole

Pretorius (’07) binary system

Formation of a black hole

Properties of a black hole (a spin)

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Gravitational lensing : Black hole shadow

strong gravitational field near a black hole

strong gravitational lensing

Schwarzschild BH

unstable circular photon orbit

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an optically thin emission region

surrounding a black hole with a=0.98M

in Sgr A*

Huang et al (’00)

( Inclination i=45゜)

horizon scale ~ 3 m arc sec

i

Resolution can be achieved using VLBI

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Kerr geometry in Boyer-Lindquist coordinates

: gravitational mass : angular momentum

Kerr Black Hole

naked singularity

null geodesics

integration constants

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Black Hole Shadow

celestial coordinates

projected

rotation axis

photon orbit

: tetrad components of 4-momentum

w.r.t. locally non-rotating reference frame

asymptotic behaviour

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How to find a black hole shadow

Schwarzschild spacetime

photon circular orbit photon circular orbit

light source light source

observer observer

dark bright

The boundary of shadow

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For Kerr spacetime

circular orbit spherical photon orbit

circular orbit on the equatorial plane

+: direct orbit

-: retrograde orbit

For naked singularity

-: retrograde orbit

dark shadow

3-dimensional but r = constant

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circular orbit on the equatorial plane → spherical orbit

one parameter

boundary values

of shadow

boundary

of shadow

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Kerr BH

a = 0.5M, i = 60°

a = M, i = 90° a = 0.5M, i = 90°

a = M, i = 60°

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Kerr naked singularity

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How to determine a spin of a black hole

spin a , mass M + inclination i Observed shape of a shadow

? assuming M is fixed ( a , i )

Parameterization of shadow

radius

distortion

dent

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radius

distortion

Contour maps of two parameters

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From observation of radius and distortion

we can evaluate the spin of BH a and the inclination angle i .

Two contour maps

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Kerr naked singularity

Parameterization of the arc

radius

angle

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radius

angle

Contour maps of two parameters

no arc

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The contours are degenerated. It makes difficult to determine a and i

Two contour maps

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Different parameterization

radius

separation

distance

dark spot

arc

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Contour map of separation distance

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Two contour maps of radius and separation distance

From observation of radius and separation distance

we can evaluate the spin a and the inclination angle i .

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From observation of the shadow of a black hole or a naked singularity,

we can evaluate the spin a and the inclination angle i .

Flux density

More information about a black hole

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More realistic situation

Surrounding matter Accretion disc

Dynamical system

Collision of black holes

Formation of a naked singularity

Magnetic field

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Collision of multi black holes ?

Multi-Extreme RNdS BHs

Time-dependent

Kastor-Traschen (1993)

BHs in de Sitter spacetime

Contracting universe (time reversal)

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Shadow of BH collision (KT solution) Nitta, Chiba, Sugiyama (’11)

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Testing GR

Modified gravity

Exotic matter

Kerr black hole

black hole uniqueness theorem in GR

non-Kerr black hole

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Summary

From observation of the shadow of a black hole or a naked singularity,

we can evaluate the spin a and the inclination angle i .

Studying more realistic situation and testing GR are interesting