[論文レビュー] The feature of shadow images and observed luminosity of the Bardeen black hole surrounded by different accretions

Kejian He, Sen Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、曲がった時空における光線追跡を用いて、さまざまな降着モデル（静的および降着する球対称降着、および光学的に薄い円盤降着）下でのBardeenブラックホールの影の形状および観測された輝度を調査した。その結果、影の半径および光子殻は降着タイプにかかわらず変化しないが、降着する物質によるドップラー抑制のため、降着時の観測輝度は顕著に低下する。また、全フラックスの主な寄与は直接発光であり、光子リングは無視できるほど小さく、レンズ効果リングの寄与も最小限にとどまる。このことから、輝度対比および電荷依存の強度シフトという観点から、将来の観測によってBardeenブラックホールとシュバルツシルトブラックホールを区別できる可能性が示された。

ABSTRACT

In this paper, by exploring the photon motion in the region near the Bardeen black hole, the shadow and observation properties of the black hole surrounded by various accretion models are studied. We analyzed the changes in shadow imaging and observation luminosity when the relevant physical parameters are changed. For the different spherical accretions background, one can find that the radius of shadow and the position of photon sphere do not change, but the observation intensity of shadow in the infalling accretion model is significantly lower than that of the static case. When the black hole is surrounded by an optically and thin disk accretion, the contribution of the photon rings, lensing rings and direct emission to the total observed flux has also been studied. Under the different forms of the emission modes, the result shows that the observed brightness is mainly determined by direct emission, while the lensing rings will provide a small part of the observation flux and the photon ring can provide a negligible observation flux. By comparing our results with the Schwarzschild spacetime, it is found that the existence or change of relevant status parameters will greatly affect the shape and observation intensity of black hole shadow. These results support that the change of state parameter will affect the spacetime structure, thus affecting the observation feature of black hole shadows.

研究の動機と目的

• 異なる降着モデルがBardeenブラックホールの影の画像および観測輝度に与える影響を分析すること。
• 磁気モノポール電荷（g）がブラックホールの影および輝度プロファイルに与える役割を調査すること。
• 同一条件下でのBardeenブラックホールとシュバルツシルトブラックホールの観測的特徴を比較すること。
• 薄い円盤降着における直接発光、光子リング、レンズ効果リングの全観測フラックスに与える相対的寄与を特定すること。
• 降着ダイナミクスおよび時空パラメータの変化が、Bardeenブラックホールとシュバルツシルトブラックホールを観測的に区別する要因となるかどうかを検討すること。

提案手法

• 光線追跡シミュレーションを用いて、Bardeen時空における光子の軌道を数値的に解く。
• 磁気モノポール電荷パラメータ（g）を用いたBardeen計量を用い、特異点のない正則なブラックホール時空をモデル化した。
• 3つの降着モデルをシミュレートした：静的球対称降着、降着する球対称降着（ドップラー補強を含む）、光学的に薄い円盤降着。
• 遠方の観測者視点から観測強度マップを計算し、直接発光、光子リング、レンズ効果リングの寄与を区別した。
• 画像平面全体におけるフラックス分布の評価を目的として、薄い円盤にさまざまな発光プロファイル（例：半径依存性）を適用した。
• 結果をシュバルツシルト時空と比較することで、モノポール電荷および降着ダイナミクスが観測的特徴に与える影響を分離した。

Figure 2: The observed specific intensity of the black hole is surrounded by the static spherical accretion flow, in which the black line, green line and red line correspond to $g=0$ , $g=0.475$ and $g=0.75$ . Here, we take M = 1.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bardeen時空における磁気モノポール電荷（g）は、光子殻の半径および影の大きさにどのように影響を与えるか？
• RQ2 静的降着と降着する球対称降着という降着モデルの選択が、影の観測輝度および明るさ分布に与える影響は何か？
• RQ3 薄い円盤降着における直接発光、光子リング、レンズ効果リングの相対的寄与は、全観測フラックスに対してどの程度か？
• RQ4 磁気モノポール電荷（g）が増加するに従い、Bardeenブラックホールの観測輝度はどのように変化するか。また、シュバルツシルトケースと比較するとどうなるか？
• RQ5 特に中心の影の明るさおよびリングの強度が、将来的な観測においてBardeenブラックホールとシュバルツシルトブラックホールを区別できるか？

主な発見

• 光子殻の半径および影のサイズは、さまざまな降着モデル間で変化せず、これらは時空幾何学の固有的性質であることが確認された。
• 降着する球対称降着モデルでは、内向きに動く物質によるドップラー抑制のため、静的モデルと比較して観測輝度が顕著に低くなった。
• 同じ磁気モノポール電荷（g）のもとで、静的モデルの最大観測輝度はシュバルツシルトケース（g=0）の約2倍にのぼり、gに強く依存することが示された。
• 薄い円盤降着では、直接発光が観測フラックスの大部分を占め、レンズ効果リングの寄与はわずかで、光子リングの寄与は無視できるほど小さい。
• 磁気モノポール電荷gが増加するに従い、光子リングおよびレンズ効果リングの相対的面積が増加する一方で、直接発光領域は縮小し、全体の観測像は暗くなる傾向にある。
• 影の中心部は完全に暗くない。特に静的降着モデルでは、gが増加するにつれて明るさがわずかに増加し、観測的シグナルとしての可能性を示している。

Figure 3: Image of the black hole shadow with the static spherical accretion for the different values of monopole charge $g$ , in which $g=0$ (left panel), $g=0.475$ (mid panel) and $g=0.75$ (right panel).