Quasi-local masses and cosmological coupling of black holes and mimickers
Abstract: Motivated by the recent heated debate on whether the masses of local objects, such as compact stars or black holes (BHs), may be affected by the large-scale, cosmological dynamics, we analyze the conditions under which, in a general relativity framework, such a coupling small/large scales is allowed. We shed light on some controversial arguments, which have been used to rule out the latter possibility. We find that the cosmological coupling occurs whenever the energy of the central objects is quantified by the quasi-local Misner-Sharp mass (MS). Conversely, the decoupling occurs whenever the MS mass is fully equivalent to the (nonlocal) Arnowitt-Deser-Misner (ADM) mass. Consequently, for singular BHs embedded in cosmological backgrounds, like the Schwarzschild-de Sitter or McVittie solutions, we show that there is no cosmological coupling, confirming previous results in the literature. Furthermore, we show that nonsingular compact objects couple to the cosmological background, as quantified by their MS mass. We conclude that observational evidence of cosmological coupling of astrophysical BHs would be the smoking gun of their nonsingular nature.
- G. C. McVittie, MNRAS 93, 325 (1933).
- R. A. Sussman, Gen. Rel. Grav. 17, 251 (1985).
- B. C. Nolan, Phys. Rev. D 58, 064006 (1998), arXiv:gr-qc/9805041 .
- B. C. Nolan, Class. Quant. Grav. 16, 1227 (1999).
- A. Einstein and E. G. Straus, Rev. Mod. Phys. 17, 120 (1945).
- A. Einstein and E. G. Straus, Rev. Mod. Phys. 18, 148 (1946).
- J. Pachner, Phys. Rev. 132, 1837 (1963).
- R. H. Dicke and P. J. E. Peebles, Phys. Rev. Lett. 12, 435 (1964).
- P. C. Vaidya and P. S. Yashodhara, Tensor (Japan) 19, 191 (1968).
- P. D. Noerdlinger and V. Petrosian, ApJ 168, 1 (1971).
- S. N. Guha Thakurta, Indian Journal of Physics 55B, 304 (1981).
- L. K. Patel and H. B. Trivedi, Journal of Astrophysics and Astronomy 3, 63 (1982).
- P. C. Vaidya, Pramana 8, 151 (1977).
- P. D. D’Eath, Phys. Rev. D 11, 1387 (1975).
- R. Gautreau, Phys. Rev. D 29, 198 (1984).
- P. A. Hogan, ApJ 360, 315 (1990).
- T. Buchert and J. Ehlers, Astron. Astrophys. 320, 1 (1997), arXiv:astro-ph/9510056 .
- G. A. Baker,  (2000), arXiv:astro-ph/0003152 .
- A. Dominguez and J. C. Gaite, EPL 55, 458 (2001), arXiv:astro-ph/0106199 .
- G. F. R. Ellis, Int. J. Mod. Phys. A 17, 2667 (2002), arXiv:gr-qc/0102017 .
- C. J. Gao and S. N. Zhang, Phys. Lett. B 595, 28 (2004), arXiv:gr-qc/0407045 .
- D. P. Sheehan and V. G. Kriss,  (2004), arXiv:astro-ph/0411299 .
- S. Nesseris and L. Perivolaropoulos, Phys. Rev. D 70, 123529 (2004), arXiv:astro-ph/0410309 .
- J. Sultana and C. C. Dyer, Gen. Rel. Grav. 37, 1347 (2005).
- Z.-H. Li and A. Wang, Mod. Phys. Lett. A 22, 1663 (2007), arXiv:astro-ph/0607554 .
- M. L. McClure and C. C. Dyer, Class. Quant. Grav. 23, 1971 (2006).
- M. Sereno and P. Jetzer, Phys. Rev. D 75, 064031 (2007), arXiv:astro-ph/0703121 .
- V. Faraoni and A. Jacques, Phys. Rev. D 76, 063510 (2007), arXiv:0707.1350 [gr-qc] .
- A. Balaguera-Antolinez and M. Nowakowski, Class. Quant. Grav. 24, 2677 (2007), arXiv:0704.1871 [gr-qc] .
- M. Carrera and D. Giulini, Rev. Mod. Phys. 82, 169 (2010), arXiv:0810.2712 [gr-qc] .
- D. Giulini, Stud. Hist. Phil. Sci. B 46, 24 (2014), arXiv:1306.0374 [gr-qc] .
- S. M. Kopeikin, European Physical Journal Plus 130, 11 (2015).
- V. Faraoni, Universe 4, 109 (2018), arXiv:1810.04667 [gr-qc] .
- A. I. Neishtadt and G. S. Bisnovatyi-Kogan, Astron. Rep. 64, 731 (2020).
- K. Agatsuma, Phys. Dark Univ. 38, 101134 (2022), arXiv:2211.15668 [gr-qc] .
- G. S. Bisnovatyi-Kogan and M. Merafina, Int. J. Mod. Phys. D 32, 2350030 (2023).
- H. Sato and K.-i. Maeda, Prog. Theor. Phys. 70, 119 (1983).
- A. Wiegand and T. Buchert, Phys. Rev. D 82, 023523 (2010), arXiv:1002.3912 [astro-ph.CO] .
- T. Buchert et al., Class. Quant. Grav. 32, 215021 (2015), arXiv:1505.07800 [gr-qc] .
- F. Montanari and S. Rasanen, JCAP 12, 008 (2017), arXiv:1710.02451 [astro-ph.CO] .
- S. Nesseris et al. (Euclid), Astron. Astrophys. 660, A67 (2022), arXiv:2110.11421 [astro-ph.CO] .
- S. Schander and T. Thiemann, Front. Astron. Space Sci. 0, 113 (2021), arXiv:2106.06043 [gr-qc] .
- S. M. Koksbang, Phys. Rev. Lett. 126, 231101 (2021), arXiv:2105.11880 [astro-ph.CO] .
- Q. Vigneron, Phys. Rev. D 105, 043524 (2022), arXiv:2109.10336 [gr-qc] .
- E. Abdalla et al., JHEAp 34, 49 (2022), arXiv:2203.06142 [astro-ph.CO] .
- R. Zhang and Z. Zhang, JCAP 06, 031 (2023), arXiv:2303.14047 [physics.gen-ph] .
- L. Iorio, Int. J. Mod. Phys. D 15, 473 (2006), arXiv:gr-qc/0511137 .
- K. S. Croker and J. L. Weiner, Astrophys. J. 882, 19 (2019), arXiv:2107.06643 [gr-qc] .
- D. Farrah et al., Astrophys. J. Lett. 944, L31 (2023), arXiv:2302.07878 [astro-ph.CO] .
- T. Mistele, Res. Notes AAS 7, 101 (2023), arXiv:2304.09817 [gr-qc] .
- Y. Wang and Z. Wang,  (2023), arXiv:2304.01059 [gr-qc] .
- R. Gaur and M. Visser,  (2023), arXiv:2308.07374 [gr-qc] .
- S. L. Parnovsky,  (2023), arXiv:2302.13333 [gr-qc] .
- P. P. Avelino, JCAP 08, 005 (2023), arXiv:2303.06630 [gr-qc] .
- C. L. Rodriguez, Astrophys. J. Lett. 947, L12 (2023), arXiv:2302.12386 [astro-ph.CO] .
- R. Andrae and K. El-Badry, Astron. Astrophys. 673, L10 (2023), arXiv:2305.01307 [astro-ph.CO] .
- L. Lei et al.,  (2023), arXiv:2305.03408 [astro-ph.CO] .
- L. B. Szabados, Living Rev. Rel. 12, 4 (2009).
- C. W. Misner and D. H. Sharp, Phys. Rev. 136, B571 (1964).
- M.-S. Ma and R. Zhao, Class. Quant. Grav. 31, 245014 (2014), arXiv:1411.0833 [gr-qc] .
- S. Hawking, J. Math. Phys. 9, 598 (1968).
- S. A. Hayward, Phys. Rev. D 49, 831 (1994), arXiv:gr-qc/9303030 .
- S. A. Hayward, Phys. Rev. D 53, 1938 (1996), arXiv:gr-qc/9408002 .
- V. Faraoni, Gen. Rel. Grav. 47, 84 (2015), arXiv:1506.06358 [gr-qc] .
- L. Herrera and N. O. Santos, Phys. Rept. 286, 53 (1997).
- R. Penrose, Phys. Rev. Lett. 14, 57 (1965).
- J. M. Bardeen,  (1968).
- I. Dymnikova, Gen. Rel. Grav. 24, 235 (1992).
- A. Bonanno and M. Reuter, Phys. Rev. D 62, 043008 (2000), arXiv:hep-th/0002196 .
- L. Modesto, Phys. Rev. D 70, 124009 (2004), arXiv:gr-qc/0407097 .
- S. A. Hayward, Phys. Rev. Lett. 96, 031103 (2006), arXiv:gr-qc/0506126 .
- S. Ansoldi, in Conference on Black Holes and Naked Singularities (2008) arXiv:0802.0330 [gr-qc] .
- L. Modesto, Int. J. Theor. Phys. 49, 1649 (2010), arXiv:0811.2196 [gr-qc] .
- P. Nicolini, Int. J. Mod. Phys. A 24, 1229 (2009), arXiv:0807.1939 [hep-th] .
- E. Spallucci and S. Ansoldi, Phys. Lett. B 701, 471 (2011), arXiv:1101.2760 [hep-th] .
- V. P. Frolov, Phys. Rev. D 94, 104056 (2016), arXiv:1609.01758 [gr-qc] .
- Z.-Y. Fan and X. Wang, Phys. Rev. D 94, 124027 (2016), arXiv:1610.02636 [gr-qc] .
- A. Simpson and M. Visser, Universe 6, 8 (2019), arXiv:1911.01020 [gr-qc] .
- S. S. Bayin, Astrophys. J. 303, 101 (1986).
- H. Culetu, J. Phys. Conf. Ser. 437, 012005 (2013), arXiv:1201.3769 [gr-qc] .
- M. Cadoni and A. P. Sanna, Int. J. Mod. Phys. A 36, 2150156 (2021a), arXiv:2012.08335 [gr-qc] .
- M. Cadoni and A. P. Sanna, Class. Quant. Grav. 38, 135004 (2021b), arXiv:2101.07642 [gr-qc] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.