[논문 리뷰] The feature of shadow images and observed luminosity of the Bardeen black hole surrounded by different accretions

Kejian He, Sen Guo외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 25.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 곡률 시공간에서의 레이 트레이싱을 사용하여 다양한 연출 모델—정적 및 낙하하는 구형 연출, 그리고 광학적으로 얇은 디스크 연출—하에서 바르딘 블랙홀의 그림자 형태와 관측된 빛의 세기 변화를 조사한다. 그 결과, 연출 유형에 관계없이 그림자 반경과 광자 구는 그대로 유지되나, 낙하 연출에서는 다프러의 억제로 인해 관측된 빛의 세기가 크게 감소하며, 총 복사원은 직접 방출이 지배적이며, 광자 고리의 기여는 무시할 만하고, 렌즈링의 기여도 미미하여, 빛의 강도 대비 및 전하에 의존하는 강도 이동을 통해 스워츠실트 블랙홀과의 관측적 차이를 제공할 수 있음을 밝혔다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 연출 모델이 바르딘 블랙홀의 그림자 이미지와 관측된 빛의 세기에 어떤 영향을 미치는지 분석하기.
• 자기 단극자 전하(g)가 블랙홀 그림자와 빛의 세기 프로파일을 어떻게 형성하는지 조사하기.
• 동일한 조건에서 바르딘 블랙홀과 스워츠실트 블랙홀의 관측적 특징을 비교하기.
• 미세한 디스크 연출에서 직접 방출, 광자 고리, 렌즈링의 기여 비율을 정량화하기.
• 연출 역학과 시공간 매개변수의 변화가 바르딘 블랙홀과 스워츠실트 블랙홀을 관측적으로 구별하는 데 기여할 수 있는지 탐색하기.

제안 방법

• Null 지오데식 방정식을 수치적으로 해결하여 바르딘 시공간에서 광선의 경로를 모의하는 레이 트레이싱 시뮬레이션을 사용하였다.
• 자기 단극자 전하 매개변수(g)를 포함한 바르딘 메트릭을 사용하여 비특이적이고 정규화된 블랙홀 시공간을 모델링하였다.
• 정적 구형 연출, 낙하하는 구형 연출(다프러 부스팅 포함), 광학적으로 얇은 디스크 연출의 세 가지 연출 모델을 시뮬레이션하였다.
• 원거리 관측자 시점에서 관측 강도 맵을 계산하였으며, 직접 방출, 광자 고리, 렌즈링의 기여를 구분하였다.
• 미세한 디스크에 다양한 방출 프로파일(예: 반경 의존성)을 적용하여 이미지 평면 전반의 복사원 분포를 평가하였다.
• 결과를 스워츠실트 시공간과 비교하여 단극자 전하와 연출 역학이 관측 가능한 특성에 미치는 영향을 분리 분석하였다.

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.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바르딘 시공간의 자기 단극자 전하(g)가 광자 구의 반경과 그림자 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 정적 연출과 낙하 연출의 선택이 블랙홀 그림자의 관측된 빛의 세기와 밝기 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 미세한 디스크 연출에서 직접 방출, 광자 고리, 렌즈링의 기여 비율은 총 관측 복사원에 대해 각각 얼마인가?
• RQ4 단극자 전하(g)가 증가함에 따라 바르딘 블랙홀의 관측된 빛의 세기는 어떻게 변화하며, 스워츠실트 경우와 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 관측된 빛의 세기 프로파일, 특히 중심 그림자 밝기와 고리 강도가 향후 관측에서 바르딘 블랙홀과 스워츠실트 블랙홀을 구별하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 다양한 연출 모델 간에 광자 구의 반경과 그림자 크기는 동일하게 유지되며, 이는 시공간 기하학의 내재적 성질임을 확인한다.
• 낙하하는 구형 연출 모델에서, 내부로 움직이는 물질에 의한 다프러 억제로 인해 관측된 빛의 세기는 정적 모델보다 크게 감소한다.
• 동일한 단극자 전하(g) 조건에서 정적 모델의 최대 관측 빛의 세기는 스워츠실트 경우(g=0)보다 약 두 배 높으며, 이는 g에 매우 강하게 의존함을 시사한다.
• 미세한 디스크 연출에서 직접 방출이 관측 복사원의 대부분을 차지하며, 렌즈링은 소수의 기여를 하며, 광자 고리는 거의 기여하지 않는다.
• 단극자 전하 g가 증가함에 따라 광자 고리와 렌즈링의 상대적 면적은 증가하지만, 직접 방출 영역은 축소되어 전체 관측 이미지의 밝기가 낮아진다.
• 그림자의 중심 영역은 완전히 어두운 것이 아니며, 특히 정적 연출 모델에서 g가 증가함에 따라 약간 밝아지며, 이는 관측 가능한 서명으로서의 잠재력을 지닌다.

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).