Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Quasinormal modes-shadow correspondence for rotating regular black holes

Published 11 Apr 2024 in gr-qc, astro-ph.HE, hep-ph, and hep-th | (2404.07589v3)

Abstract: Eikonal quasinormal modes (QNMs) of black holes (BHs) and parameters of null geodesics, ultimately tied to the appearance of BHs to external observers, are known to be related, and the eikonal QNM-BH shadow radii correspondence has been extensively studied for spherically symmetric BHs. The extension to rotating BHs is non-trivial, and has been worked out only for equatorial ($m=\pm\ell$) QNMs, or for general modes but limited to the Kerr metric. We extend the QNM-shadow radius correspondence to more general rotating space-times, and argue that the requirements for it to hold amount to conditions on the separability of the Hamilton-Jacobi equation for null geodesics and the Klein-Gordon equation. Metrics obtained by the Newman-Janis algorithm enjoy these conditions, provided certain mathematical requirements are imposed on the line element. We explicitly verify the correspondence for the rotating Bardeen and Hayward regular BHs, both of which satisfy the separability requirements. Our findings show that the QNM-shadow radius correspondence holds for a wide range of axisymmetric space-times beyond Kerr. This paves the way to potential strong-field multi-messenger tests of fundamental physics by hearing (via gravitational wave spectroscopy) and seeing (via VLBI imaging) BHs, although substantial improvements relative to the current observational sensitivity are required to make this possible.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (151)
  1. V. Cardoso and P. Pani, Living Rev. Rel. 22, 4 (2019), arXiv:1904.05363 [gr-qc] .
  2. C. Bambi, Annalen Phys. 530, 1700430 (2018), arXiv:1711.10256 [gr-qc] .
  3. L. Barack et al., Class. Quant. Grav. 36, 143001 (2019), arXiv:1806.05195 [gr-qc] .
  4. S. W. Hawking, Phys. Rev. D 14, 2460 (1976).
  5. D. Harlow, Rev. Mod. Phys. 88, 015002 (2016), arXiv:1409.1231 [hep-th] .
  6. J. Polchinski, in Theoretical Advanced Study Institute in Elementary Particle Physics: New Frontiers in Fields and Strings (2017) pp. 353–397, arXiv:1609.04036 [hep-th] .
  7. R. Penrose, Phys. Rev. Lett. 14, 57 (1965).
  8. S. W. Hawking and R. Penrose, Proc. Roy. Soc. Lond. A 314, 529 (1970).
  9. S. Ansoldi, in Conference on Black Holes and Naked Singularities (2008) arXiv:0802.0330 [gr-qc] .
  10. P. Nicolini, Int. J. Mod. Phys. A 24, 1229 (2009), arXiv:0807.1939 [hep-th] .
  11. L. Sebastiani and S. Zerbini, Astronomy 1, 99 (2022), arXiv:2206.03814 [gr-qc] .
  12. R. Torres,   (2022), arXiv:2208.12713 [gr-qc] .
  13. E. Berti et al., Class. Quant. Grav. 32, 243001 (2015), arXiv:1501.07274 [gr-qc] .
  14. R. H. Price, Phys. Rev. D 5, 2419 (1972a).
  15. R. H. Price, Phys. Rev. D 5, 2439 (1972b).
  16. K. D. Kokkotas and B. G. Schmidt, Living Rev. Rel. 2, 2 (1999), arXiv:gr-qc/9909058 .
  17. R. A. Konoplya and A. Zhidenko, Rev. Mod. Phys. 83, 793 (2011), arXiv:1102.4014 [gr-qc] .
  18. J. L. Synge, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 131, 463 (1966).
  19. J. P. Luminet, Astron. Astrophys. 75, 228 (1979).
  20. K. S. Virbhadra and G. F. R. Ellis, Phys. Rev. D 62, 084003 (2000), arXiv:astro-ph/9904193 .
  21. P. V. P. Cunha and C. A. R. Herdeiro, Gen. Rel. Grav. 50, 42 (2018), arXiv:1801.00860 [gr-qc] .
  22. V. I. Dokuchaev and N. O. Nazarova, Usp. Fiz. Nauk 190, 627 (2020), arXiv:1911.07695 [gr-qc] .
  23. V. Perlick and O. Y. Tsupko, Phys. Rept. 947, 1 (2022), arXiv:2105.07101 [gr-qc] .
  24. K. Akiyama et al. (Event Horizon Telescope), Astrophys. J. Lett. 875, L1 (2019), arXiv:1906.11238 [astro-ph.GA] .
  25. K. Akiyama et al. (Event Horizon Telescope), Astrophys. J. Lett. 930, L12 (2022a), arXiv:2311.08680 [astro-ph.HE] .
  26. P. Creminelli and F. Vernizzi, Phys. Rev. Lett. 119, 251302 (2017), arXiv:1710.05877 [astro-ph.CO] .
  27. J. Sakstein and B. Jain, Phys. Rev. Lett. 119, 251303 (2017), arXiv:1710.05893 [astro-ph.CO] .
  28. J. M. Ezquiaga and M. Zumalacárregui, Phys. Rev. Lett. 119, 251304 (2017), arXiv:1710.05901 [astro-ph.CO] .
  29. M. Crisostomi and K. Koyama, Phys. Rev. D 97, 021301 (2018), arXiv:1711.06661 [astro-ph.CO] .
  30. A. Dima and F. Vernizzi, Phys. Rev. D 97, 101302 (2018), arXiv:1712.04731 [gr-qc] .
  31. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 123, 011102 (2019), arXiv:1811.00364 [gr-qc] .
  32. S. Vagnozzi and L. Visinelli, Phys. Rev. D 100, 024020 (2019), arXiv:1905.12421 [gr-qc] .
  33. J.-Z. Qi and X. Zhang, Chin. Phys. C 44, 055101 (2020), arXiv:1906.10825 [astro-ph.CO] .
  34. J. C. S. Neves, Eur. Phys. J. C 80, 343 (2020), arXiv:1906.11735 [gr-qc] .
  35. S.-W. Wei and Y.-X. Liu, Eur. Phys. J. Plus 136, 436 (2021), arXiv:2003.07769 [gr-qc] .
  36. R. Kumar and S. G. Ghosh, JCAP 07, 053 (2020), arXiv:2003.08927 [gr-qc] .
  37. S. D. Odintsov and V. K. Oikonomou, Phys. Lett. B 805, 135437 (2020), arXiv:2004.00479 [gr-qc] .
  38. C.-Y. Chen, JCAP 05, 040 (2020), arXiv:2004.01440 [gr-qc] .
  39. X.-X. Zeng and H.-Q. Zhang, Eur. Phys. J. C 80, 1058 (2020), arXiv:2007.06333 [gr-qc] .
  40. M. Khodadi and E. N. Saridakis, Phys. Dark Univ. 32, 100835 (2021), arXiv:2012.05186 [gr-qc] .
  41. A. Eichhorn and A. Held, JCAP 05, 073 (2021), arXiv:2103.13163 [gr-qc] .
  42. P. Kocherlakota et al. (Event Horizon Telescope), Phys. Rev. D 103, 104047 (2021), arXiv:2105.09343 [gr-qc] .
  43. M. Okyay and A. Övgün, JCAP 01, 009 (2022), arXiv:2108.07766 [gr-qc] .
  44. Y. Guo and Y.-G. Miao, Nucl. Phys. B 983, 115938 (2022), arXiv:2112.01747 [gr-qc] .
  45. S. Vagnozzi et al., Class. Quant. Grav. 40, 165007 (2023), arXiv:2205.07787 [gr-qc] .
  46. Y. Ling and M.-H. Wu, Symmetry 14, 2415 (2022), arXiv:2205.08919 [gr-qc] .
  47. X.-M. Kuang and A. Övgün, Annals Phys. 447, 169147 (2022), arXiv:2205.11003 [gr-qc] .
  48. S. Vagnozzi and L. Visinelli, Res. Notes AAS 6, 106 (2022), arXiv:2205.11314 [astro-ph.GA] .
  49. R. C. Pantig and A. Övgün, Annals Phys. 448, 169197 (2023), arXiv:2206.02161 [gr-qc] .
  50. S. G. Ghosh and M. Afrin, Astrophys. J. 944, 174 (2023), arXiv:2206.02488 [gr-qc] .
  51. M. Khodadi and G. Lambiase, Phys. Rev. D 106, 104050 (2022), arXiv:2206.08601 [gr-qc] .
  52. R. Shaikh, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 523, 375 (2023), arXiv:2208.01995 [gr-qc] .
  53. S. D. Odintsov and V. K. Oikonomou, EPL 139, 59003 (2022), arXiv:2208.07972 [gr-qc] .
  54. R. C. Pantig, Chin. J. Phys. 87, 49 (2024), arXiv:2303.01698 [gr-qc] .
  55. K. Nozari and S. Saghafi, Eur. Phys. J. C 83, 588 (2023), arXiv:2305.17237 [gr-qc] .
  56. M. Afrin and S. G. Ghosh, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 524, 3683 (2023), arXiv:2307.08451 [gr-qc] .
  57. S. Mandal, Phys. Dark Univ. 42, 101374 (2023), arXiv:2309.16461 [gr-qc] .
  58. K. Akiyama et al. (Event Horizon Telescope), Astrophys. J. Lett. 930, L17 (2022b), arXiv:2311.09484 [astro-ph.HE] .
  59. C.-Y. Chen and H.-Y. Pu,   (2024), arXiv:2404.07055 [gr-qc] .
  60. V. Ferrari and B. Mashhoon, Phys. Rev. D 30, 295 (1984).
  61. S. Hod, Phys. Rev. D 80, 064004 (2009), arXiv:0909.0314 [gr-qc] .
  62. C. J. Goebel, Astrophys. J. Lett. 172, L95 (1972).
  63. K. Jusufi, Phys. Rev. D 101, 084055 (2020a), arXiv:1912.13320 [gr-qc] .
  64. Y. Guo and Y.-G. Miao, Phys. Rev. D 102, 084057 (2020), arXiv:2007.08227 [hep-th] .
  65. K. Jusufi, Gen. Rel. Grav. 53, 87 (2021), arXiv:2007.16019 [gr-qc] .
  66. X.-C. Cai and Y.-G. Miao, Phys. Rev. D 102, 084061 (2020), arXiv:2008.04576 [gr-qc] .
  67. K. Saurabh and K. Jusufi, Eur. Phys. J. C 81, 490 (2021), arXiv:2009.10599 [gr-qc] .
  68. X.-C. Cai and Y.-G. Miao, Eur. Phys. J. C 81, 559 (2021a), arXiv:2011.05542 [gr-qc] .
  69. X.-C. Cai and Y.-G. Miao, Phys. Rev. D 103, 124050 (2021b), arXiv:2104.09725 [gr-qc] .
  70. X. Wu and X. Zhang, Universe 8, 604 (2022), arXiv:2112.11066 [gr-qc] .
  71. S. V. Bolokhov,   (2023), arXiv:2310.12326 [gr-qc] .
  72. D. J. Gogoi and S. Ponglertsakul,   (2024), arXiv:2402.06186 [gr-qc] .
  73. R. A. Konoplya and Z. Stuchlík, Phys. Lett. B 771, 597 (2017), arXiv:1705.05928 [gr-qc] .
  74. K. Glampedakis and H. O. Silva, Phys. Rev. D 100, 044040 (2019), arXiv:1906.05455 [gr-qc] .
  75. C.-Y. Chen and P. Chen, Phys. Rev. D 101, 064021 (2020), arXiv:1910.12262 [gr-qc] .
  76. H. O. Silva and K. Glampedakis, Phys. Rev. D 101, 044051 (2020), arXiv:1912.09286 [gr-qc] .
  77. F. Moura and J. a. Rodrigues, Phys. Lett. B 819, 136407 (2021), arXiv:2103.09302 [hep-th] .
  78. K. Nomura and D. Yoshida, Phys. Rev. D 105, 044006 (2022), arXiv:2111.06273 [gr-qc] .
  79. R. A. Konoplya, Phys. Lett. B 838, 137674 (2023), arXiv:2210.08373 [gr-qc] .
  80. K. Jusufi, Phys. Rev. D 101, 124063 (2020b), arXiv:2004.04664 [gr-qc] .
  81. H. Yang, Phys. Rev. D 103, 084010 (2021), arXiv:2101.11129 [gr-qc] .
  82. S. A. Hayward, Phys. Rev. Lett. 96, 031103 (2006), arXiv:gr-qc/0506126 .
  83. C. Bambi and L. Modesto, Phys. Lett. B 721, 329 (2013), arXiv:1302.6075 [gr-qc] .
  84. S. A. Teukolsky, Phys. Rev. Lett. 29, 1114 (1972).
  85. J. M. M. Senovilla, Gen. Rel. Grav. 30, 701 (1998), arXiv:1801.04912 [gr-qc] .
  86. J. M. M. Senovilla and D. Garfinkle, Class. Quant. Grav. 32, 124008 (2015), arXiv:1410.5226 [gr-qc] .
  87. A. D. Sakharov, Sov. Phys. JETP 22, 241 (1966).
  88. E. B. Gliner, Sov. Phys. JETP 22, 378 (1966).
  89. E. B. Gliner and I. G. Dymnikova, Sov. Astron. Lett. 1, 93 (1975).
  90. A. A. Starobinsky, JETP Lett. 30, 682 (1979).
  91. I. Dymnikova, Gen. Rel. Grav. 24, 235 (1992).
  92. I. Dymnikova and E. Galaktionov, Class. Quant. Grav. 22, 2331 (2005), arXiv:gr-qc/0409049 .
  93. A. Ashtekar and M. Bojowald, Class. Quant. Grav. 22, 3349 (2005), arXiv:gr-qc/0504029 .
  94. M. V. Bebronne and P. G. Tinyakov, JHEP 04, 100 (2009), [Erratum: JHEP 06, 018 (2011)], arXiv:0902.3899 [gr-qc] .
  95. E. Spallucci and S. Ansoldi, Phys. Lett. B 701, 471 (2011), arXiv:1101.2760 [hep-th] .
  96. A. Perez, Class. Quant. Grav. 32, 084001 (2015), arXiv:1410.7062 [gr-qc] .
  97. K. Jusufi, Annals Phys. 448, 169191 (2023a), arXiv:2208.12979 [gr-qc] .
  98. G. J. Olmo and D. Rubiera-Garcia,   (2022), arXiv:2209.05061 [gr-qc] .
  99. K. Jusufi, Phys. Dark Univ. 39, 101156 (2023b), arXiv:2212.06760 [gr-qc] .
  100. P. Nicolini (2023) arXiv:2306.01480 [gr-qc] .
  101. A. Addazi et al., Prog. Part. Nucl. Phys. 125, 103948 (2022), arXiv:2111.05659 [hep-ph] .
  102. A. Borde, Phys. Rev. D 55, 7615 (1997), arXiv:gr-qc/9612057 .
  103. E. Ayon-Beato and A. Garcia, Phys. Rev. Lett. 80, 5056 (1998), arXiv:gr-qc/9911046 .
  104. E. Ayon-Beato and A. Garcia, Phys. Lett. B 464, 25 (1999), arXiv:hep-th/9911174 .
  105. K. A. Bronnikov and J. C. Fabris, Phys. Rev. Lett. 96, 251101 (2006), arXiv:gr-qc/0511109 .
  106. M. Rinaldi, Phys. Rev. D 86, 084048 (2012), arXiv:1208.0103 [gr-qc] .
  107. Z. Stuchlík and J. Schee, Int. J. Mod. Phys. D 24, 1550020 (2014), arXiv:1501.00015 [astro-ph.HE] .
  108. J. Schee and Z. Stuchlik, JCAP 06, 048 (2015), arXiv:1501.00835 [astro-ph.HE] .
  109. T. Johannsen, Phys. Rev. D 88, 044002 (2013), arXiv:1501.02809 [gr-qc] .
  110. Z.-Y. Fan and X. Wang, Phys. Rev. D 94, 124027 (2016), arXiv:1610.02636 [gr-qc] .
  111. S. Chinaglia and S. Zerbini, Gen. Rel. Grav. 49, 75 (2017), arXiv:1704.08516 [gr-qc] .
  112. V. P. Frolov, EPJ Web Conf. 168, 01001 (2018), arXiv:1708.04698 [gr-qc] .
  113. G. G. L. Nashed and E. N. Saridakis, JCAP 05, 017 (2022), arXiv:2111.06359 [gr-qc] .
  114. A. Simpson and M. Visser, JCAP 03, 011 (2022), arXiv:2111.12329 [gr-qc] .
  115. C. Bambi, Regular Black Holes, Springer Series in Astrophysics and Cosmology (Springer Singapore, 2023) arXiv:2307.13249 [gr-qc] .
  116. A. Bonanno and F. Saueressig,   (2022), arXiv:2211.09192 [gr-qc] .
  117. E. Poisson and W. Israel, Phys. Rev. Lett. 63, 1663 (1989).
  118. E. Poisson and W. Israel, Phys. Rev. D 41, 1796 (1990).
  119. R. Balbinot and E. Poisson, Phys. Rev. Lett. 70, 13 (1993).
  120. A. J. S. Hamilton and P. P. Avelino, Phys. Rept. 495, 1 (2010), arXiv:0811.1926 [gr-qc] .
  121. T. Zhou and L. Modesto, Phys. Rev. D 107, 044016 (2023), arXiv:2208.02557 [gr-qc] .
  122. E. Ayon-Beato and A. Garcia, Phys. Lett. B 493, 149 (2000), arXiv:gr-qc/0009077 .
  123. E. Ayon-Beato and A. Garcia, Gen. Rel. Grav. 37, 635 (2005), arXiv:hep-th/0403229 .
  124. R. V. Maluf and J. C. S. Neves, Int. J. Mod. Phys. D 28, 1950048 (2018), arXiv:1801.08872 [gr-qc] .
  125. E. B. Gliner, Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics 22, 378 (1966).
  126. M. A. Markov, Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters 36, 265 (1982).
  127. M. A. Markov, Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters 46, 431 (1987).
  128. V. F. Mukhanov and R. H. Brandenberger, Phys. Rev. Lett. 68, 1969 (1992).
  129. R. Alves Batista et al.,   (2023), arXiv:2312.00409 [gr-qc] .
  130. S. I. Kruglov, Grav. Cosmol. 27, 78 (2021), arXiv:2103.14087 [gr-qc] .
  131. K. A. Bronnikov, Int. J. Mod. Phys. D 27, 1841005 (2018), arXiv:1711.00087 [gr-qc] .
  132. S. G. Ghosh and R. K. Walia, Annals Phys. 434, 168619 (2021), arXiv:2109.13031 [gr-qc] .
  133. K. A. Bronnikov and R. K. Walia, Phys. Rev. D 105, 044039 (2022), arXiv:2112.13198 [gr-qc] .
  134. K. A. Bronnikov,   (2022), arXiv:2211.00743 [gr-qc] .
  135. E. T. Newman and A. I. Janis, J. Math. Phys. 6, 915 (1965).
  136. H. Erbin, Universe 3, 19 (2017), arXiv:1701.00037 [gr-qc] .
  137. S. P. Drake and P. Szekeres, Gen. Rel. Grav. 32, 445 (2000), arXiv:gr-qc/9807001 .
  138. D. Rajan and M. Visser, Int. J. Mod. Phys. D 26, 1750167 (2017), arXiv:1601.03532 [gr-qc] .
  139. M. Azreg-Aïnou, Phys. Rev. D 90, 064041 (2014a), arXiv:1405.2569 [gr-qc] .
  140. M. Azreg-Aïnou, Eur. Phys. J. C 74, 2865 (2014b), arXiv:1401.4292 [gr-qc] .
  141. C.-Y. Chen and P. Chen, Phys. Rev. D 100, 104054 (2019), arXiv:1909.06968 [gr-qc] .
  142. L. M. Burko and G. Khanna, Phys. Rev. D 89, 044037 (2014), arXiv:1312.5247 [gr-qc] .
  143. Z. Pan and H. Yang, Phys. Rev. D 103, 103018 (2021), arXiv:2101.09146 [astro-ph.HE] .
  144. V. Baibhav et al., Exper. Astron. 51, 1385 (2021), arXiv:1908.11390 [astro-ph.HE] .
  145. A. Klein et al., Phys. Rev. D 93, 024003 (2016), arXiv:1511.05581 [gr-qc] .
  146. D. Ayzenberg et al.,   (2023), arXiv:2312.02130 [astro-ph.HE] .
  147. K. Haworth et al.,   (2019), arXiv:1909.01405 [astro-ph.IM] .
  148. P. Uttley et al., Exper. Astron. 51, 1081 (2021), arXiv:1908.03144 [astro-ph.HE] .
  149. M. D. Johnson et al., Sci. Adv. 6, eaaz1310 (2020), arXiv:1907.04329 [astro-ph.IM] .
  150. J. O. Ruoff, The Numerical evolution of neutron star oscillations, Other thesis (2000), arXiv:gr-qc/0010041 .
  151. S.-J. Zhang, Eur. Phys. J. C 81, 441 (2021), arXiv:2102.10479 [gr-qc] .
Citations (12)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 2 tweets with 1 like about this paper.

Sign Up for Free