Super-Spinare jenseits der Kerr-Grenze
Verfasst: 26. Mär 2010, 13:07
Gemäß der allgemeinen Singularitäten-Theoremen von Penrose und Hawking ist das Auftreten von Singularitäten in allgemeinen Raumzeiten unvermeidlich. Die Cosmic-Censorship Hypothese von Penrose besagt, dass diese Singularitäten immer hinter Ereignishorizonten vergorgen sein müssen, d.h. dass sie keinen kausalen Einfluss auf die Raumzeit haben können. Grund für diese Vermutung ist die Tatsache, dass bei Vorliegen einer nackten Singularität die Kausalität verletzt sein sollte, d.h. dass geschlossene, zeitartige Kurven existieren, entlang derer man in die eigene Vergangenheit reisen könnte. Gemäß der Carter-Israel Vermutung ist der Endzustand genügend massereicher, kollabierender Objekte immer ein Kerr-Newman Black Hole, d.h. ein rotierendes, geladenes Schwarzes Loch. Die Frage der Ladung ist dabei eher sekundär, da diese über Akkretion geladener Teilchen neutralisiert werden kann, so dass man i.A. von ungeladenen, jedoch rotierenden Kerr Black Holes ausgeht.
Für diese Objekte existiert eine physikalische Obergrenze für den Drehimpuls L, die sogenannte Kerr-Grenze M = L. Für größere Drehimpulse wäre die Ausbildung eines Ereignishorizontes unmöglich und es würde sich eine nackte Singularoität ergeben, die gemäß der o.g. kosmischen Zensur verboten ist. Allerdings existieren für letztere keinerlei theoretische Begründungen; im Gegenteil, man kann explizit Objekte mit nackter Singularität untersuchen.
In den ersten drei Artikeln werden diese Objekte super-spinning black holes oder super-spinars genannt. Dabei wird u.a. untersucht, welche astronomischen, beobachtbaren Konsequenzen die Existenz derartiger Objekte hätte. Exemplarisch seien dabei Photonenorbits, Akkretionsprozesse sowie Schwarze Löcher als Quellen für Gammastrahlung und kosmische Jets genannt. U.a. wird spekuliert, dass das SL im Zentrum unserer Galaxie die Kerr-Grenze verletzen könnte und dass dies über die Untersuchung des Bildes sowie des Spektrums nachweisbar sein könnte. Ein wesentlicher Effekt derartiger Objekte ohne Ereignishorizont wäre, dass wir Strahlung aus dem Akkretionsprozess extrem nahe der Singularität sehen könnten. Diese Strahlung ist ja bei Existenz eines Ereignishorizont unsichtbar, da sie der Singularität nie entkommt.
Nun ist die Existenz des Ereignishorizont motiviert (nicht bewiesen!) durch die klassische ART und kann ggf. nicht auf eine vollständige Theorie der Quantengravitation übertragen werden. Da letztere evtl. die Singularität vermeidet, wird die Kerr-Grenze bedeutungslos. Im Rahmen der Stringtheorie werden Lösungen untersucht, die zwar die sogenannte BPS-Grenze, nicht jedoch die Kerr-Grenze respektieren. Dabei wird angenommen, dass in der gemäß der ART verbotenen Region die ART starke Koorekturen seitens der Stroing-Theorie erfährt, d.h. dass insbs. Terme mit höheren Krümmungsinvarianten wie f(R) = R², ... wichtig werden. Diese Ideen werden im letzten Artikel untersucht.
http://arxiv.org/abs/0812.1328v3
Apparent shape of super-spinning black holes
Cosimo Bambi, Katherine Freese
(Submitted on 7 Dec 2008 (v1), last revised 3 Feb 2009 (this version, v3))
Abstract: We consider the possibility that astrophysical Black Holes (BHs) can violate the Kerr bound; i.e., they can have angular momentum greater than BH mass, $J > M$. We discuss implications on the BH apparent shape. Even if the bound is violated by a small amount, the shadow cast by the BH changes significantly (it is $\sim$ an order of magnitude smaller) from the case with $J \le M$ and can be used as a clear observational signature in the search for super--spinning BHs. We discuss briefly recent observations in the mm range of the super--massive BH at the Center of the Galaxy, speculating on the possibility that it might violate the Kerr bound.
http://arxiv.org/abs/0908.3238v1
Is the Carter-Israel conjecture correct?
Cosimo Bambi, Katherine Freese, Rohta Takahashi
(Submitted on 22 Aug 2009)
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.
http://arxiv.org/abs/1003.4821v1
Outflows from accreting super-spinars
Cosimo Bambi, Tomohiro Harada, Rohta Takahashi, Naoki Yoshida
(Submitted on 25 Mar 2010)
Abstract: In this paper we continue our study on the accretion process onto super-spinning Kerr objects with no event horizon (super-spinars). We discuss the counterpart of the Bondi accretion onto black holes. We first report the results of our numerical simulations. We found a quasi-steady state configuration for any choice of the parameters of our model. The most interesting feature is the presence of hot outflows. Unlike jets and outflows produced around black holes, which are thought to be powered by magnetic fields and emitted from the poles, here the outflows are produced by the repulsive gravitational force at small distance from the super-spinar, and are ejected around the equatorial plane. In some circumstances, the amount of matter in the outflow is considerable, which can indeed significantly reduce the gas mass accretion rate. Finally, we discuss a possible scenario of the accretion process in more realistic situations which cannot be simulated by our code.
http://arxiv.org/abs/0706.2873
Astrophysical Violations of the Kerr Bound as a Possible Signature of String Theory
Authors: Eric G. Gimon, Petr Horava
(Submitted on 19 Jun 2007)
Abstract: In 4D general relativity, the angular momentum of a black hole is limited by the Kerr bound. We suggest that in string theory, this bound can be breached and compact black-hole-like objects can spin faster. Near such "superspinars," the efficiency of energy transfer from the accreting matter to radiation can reach 100%, compared to the maximum efficiency of 42% of the extremal Kerr (or 6% of the Schwarzschild) black hole. Finding such superspinning objects as active galactic nuclei, GBHCs, or sources of gamma ray bursts, could be viewed as experimental support for string theory.
Für diese Objekte existiert eine physikalische Obergrenze für den Drehimpuls L, die sogenannte Kerr-Grenze M = L. Für größere Drehimpulse wäre die Ausbildung eines Ereignishorizontes unmöglich und es würde sich eine nackte Singularoität ergeben, die gemäß der o.g. kosmischen Zensur verboten ist. Allerdings existieren für letztere keinerlei theoretische Begründungen; im Gegenteil, man kann explizit Objekte mit nackter Singularität untersuchen.
In den ersten drei Artikeln werden diese Objekte super-spinning black holes oder super-spinars genannt. Dabei wird u.a. untersucht, welche astronomischen, beobachtbaren Konsequenzen die Existenz derartiger Objekte hätte. Exemplarisch seien dabei Photonenorbits, Akkretionsprozesse sowie Schwarze Löcher als Quellen für Gammastrahlung und kosmische Jets genannt. U.a. wird spekuliert, dass das SL im Zentrum unserer Galaxie die Kerr-Grenze verletzen könnte und dass dies über die Untersuchung des Bildes sowie des Spektrums nachweisbar sein könnte. Ein wesentlicher Effekt derartiger Objekte ohne Ereignishorizont wäre, dass wir Strahlung aus dem Akkretionsprozess extrem nahe der Singularität sehen könnten. Diese Strahlung ist ja bei Existenz eines Ereignishorizont unsichtbar, da sie der Singularität nie entkommt.
Nun ist die Existenz des Ereignishorizont motiviert (nicht bewiesen!) durch die klassische ART und kann ggf. nicht auf eine vollständige Theorie der Quantengravitation übertragen werden. Da letztere evtl. die Singularität vermeidet, wird die Kerr-Grenze bedeutungslos. Im Rahmen der Stringtheorie werden Lösungen untersucht, die zwar die sogenannte BPS-Grenze, nicht jedoch die Kerr-Grenze respektieren. Dabei wird angenommen, dass in der gemäß der ART verbotenen Region die ART starke Koorekturen seitens der Stroing-Theorie erfährt, d.h. dass insbs. Terme mit höheren Krümmungsinvarianten wie f(R) = R², ... wichtig werden. Diese Ideen werden im letzten Artikel untersucht.
http://arxiv.org/abs/0812.1328v3
Apparent shape of super-spinning black holes
Cosimo Bambi, Katherine Freese
(Submitted on 7 Dec 2008 (v1), last revised 3 Feb 2009 (this version, v3))
Abstract: We consider the possibility that astrophysical Black Holes (BHs) can violate the Kerr bound; i.e., they can have angular momentum greater than BH mass, $J > M$. We discuss implications on the BH apparent shape. Even if the bound is violated by a small amount, the shadow cast by the BH changes significantly (it is $\sim$ an order of magnitude smaller) from the case with $J \le M$ and can be used as a clear observational signature in the search for super--spinning BHs. We discuss briefly recent observations in the mm range of the super--massive BH at the Center of the Galaxy, speculating on the possibility that it might violate the Kerr bound.
http://arxiv.org/abs/0908.3238v1
Is the Carter-Israel conjecture correct?
Cosimo Bambi, Katherine Freese, Rohta Takahashi
(Submitted on 22 Aug 2009)
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.
http://arxiv.org/abs/1003.4821v1
Outflows from accreting super-spinars
Cosimo Bambi, Tomohiro Harada, Rohta Takahashi, Naoki Yoshida
(Submitted on 25 Mar 2010)
Abstract: In this paper we continue our study on the accretion process onto super-spinning Kerr objects with no event horizon (super-spinars). We discuss the counterpart of the Bondi accretion onto black holes. We first report the results of our numerical simulations. We found a quasi-steady state configuration for any choice of the parameters of our model. The most interesting feature is the presence of hot outflows. Unlike jets and outflows produced around black holes, which are thought to be powered by magnetic fields and emitted from the poles, here the outflows are produced by the repulsive gravitational force at small distance from the super-spinar, and are ejected around the equatorial plane. In some circumstances, the amount of matter in the outflow is considerable, which can indeed significantly reduce the gas mass accretion rate. Finally, we discuss a possible scenario of the accretion process in more realistic situations which cannot be simulated by our code.
http://arxiv.org/abs/0706.2873
Astrophysical Violations of the Kerr Bound as a Possible Signature of String Theory
Authors: Eric G. Gimon, Petr Horava
(Submitted on 19 Jun 2007)
Abstract: In 4D general relativity, the angular momentum of a black hole is limited by the Kerr bound. We suggest that in string theory, this bound can be breached and compact black-hole-like objects can spin faster. Near such "superspinars," the efficiency of energy transfer from the accreting matter to radiation can reach 100%, compared to the maximum efficiency of 42% of the extremal Kerr (or 6% of the Schwarzschild) black hole. Finding such superspinning objects as active galactic nuclei, GBHCs, or sources of gamma ray bursts, could be viewed as experimental support for string theory.