[論文レビュー] Light ring images of double photon spheres in black hole and wormhole spacetimes

Merce Guerrero, Gonzalo J. Olmo+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 67被引用数 72

ひとこと要約

本稿は、二重光子球を有する球対称なブラックホールおよびホワイトホール時空において、光輪像を調査し、拡張されたシュバルツシルト計量の1パラメータ族を用いる。幾何学的に薄い降着円盤のモデルを用いて、二つの臨界曲線の間で追加の同心光輪が形成されることを示し、カー黑洞とは異なるブラックホール模倣体を明確に観測的に区別する手がかりを提供する。

ABSTRACT

The silhouette of a black hole having a critical curve (an unstable bound photon orbit) when illuminated by an optically thin accretion disk whose emission is confined to the equatorial plane shows a distinctive central brightness depression (the shadow) whose outer edge consists of a series of strongly lensed, selfsimilar rings superimposed with the disk???s direct emission. While the size and shape of the critical curve depend only on the background geometry, the pattern of bright and dark regions (including the size and depth of the shadow itself) in the image is strongly influenced by the (astro)physics of the accretion disk. This aspect makes it difficult to extract clean and clear observational discriminators between the Kerr black hole and other compact objects. In the presence of a second critical curve, however, observational differences become apparent. In this work we shall consider some spherically symmetric black hole and wormhole geometries characterized by the presence of a second critical curve, via a uniparametric family of extensions of the Schwarzschild metric. By assuming three toy models of geometrically thin accretion disks, we show the presence of additional light rings in the intermediate region between the two critical curves. The observation of such rings could represent a compelling evidence for the existence of black hole mimickers having multiple critical curves.

研究の動機と目的

• カー黑洞とは異なる、複数の臨界曲線を有する代替的コンパクト物体を区別する観測的特徴を特定すること。
• 二つの不安定な光子軌道（臨界曲線）の存在が、降着円盤を有するコンパクト物体の光学的外観に与える影響を分析すること。
• 修正重力理論やホワイトホール幾何学における二重光子球が、特徴的な観測可能な光輪パターンを生じるかどうかを調査すること。
• 球対称時空下での幾分かの薄い降着円盤モデルを用いて、これらの特徴の検出可能性を評価すること。
• レンズ効果を受ける輪構造を用いて、カー黑洞予測からの逸脱を理論に依存しないフレームワークでテストするための枠組みを提供すること。

提案手法

• ブラックホールと通過可能なホワイトホールの間を滑らかに接続する1パラメータ族の拡張シュバルツシルト計量を用い、二つの臨界曲線を許容する。
• 光線の軌道を追跡するための光的測地線方程式を適用し、有効ポテンシャル解析により不安定な円形軌道（臨界曲線）を同定する。
• 光学的および幾分かの薄い降着円盤の3つのトロイモデルを仮定し、発光を赤道面に限定する。
• 円盤から観測者への光線軌道を統合することでレンズ効果パターンを計算し、二つの臨界曲線の間で自己相似的で同心な光輪を同定する。
• Mathematica®を用いた数値的レイトレーシング技術を用いて、シャドウおよびレンズ効果を受ける輪の合成画像を生成する。
• 直接発光と複数のレンズ効果を受ける像からの輝度寄与を分析し、高次輪の指数的抑制に特に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球対称時空における二つの臨界曲線の存在が、カー黑洞に見られない観測可能な明確な光輪構造を生じるか。
• RQ2 追加の光輪の位置、サイズ、輝度が時空パラメータおよび内側円盤端の位置にどのように依存するか。
• RQ3 同心光輪のパターンが、カー黑洞と代替的コンパクト物体を明確に区別する観測的特徴としてどの程度有効か。
• RQ4 降着円盤の幾何学的形状と発光プロファイルが、二つの光子球の間の二次的光輪の可視性および検出可能性にどのように影響するか。
• RQ5 現在または近い将来の観測機器で、二重輪構造が観測可能となるパラメータ領域は存在するか。

主な発見

• 1パラメータ族によるシュバルツシルト計量の拡張に起因する二つの臨界曲線の存在が、それらの間の領域に追加の同心光輪を形成することを示した。
• これらの二次的光輪は自己相似的で、カー黑洞の一次的光輪と同様に輝度が指数的に抑制されるが、二重臨界曲線構造のおかげで明確な特徴として現れる。
• 光学的外観は外側の臨界曲線付近の直接発光と一次的光輪に支配されるが、二つの曲線の間の輝度プロファイルには二次的光輪構造が明確に現れる。
• シャドウのサイズと形状は背景の幾何学的構造に依存するが、中間領域の輪構造は降着円盤の物理とは独立した、特徴的な幾何学的駆動の特徴である。
• 本モデルは、このような二重輪パターンが、通過可能なホワイトホールや非カー型コンパクト物体といったブラックホール模倣体の強力な観測的証拠となる可能性を予測している。
• 数値シミュレーションにより、異なる薄い円盤モデルにおいても光輪パターンが安定していることが確認され、複数の不安定な光子軌道を有する時空の一般的な特徴であることが示された。