[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究通过在弯曲时空中进行光线追踪，调查了不同吸积模型下Bardeen黑洞的阴影形态与观测亮度——包括静态球对称吸积、下落球对称吸积以及光学薄盘吸积。研究发现，尽管不同吸积类型下阴影半径与光子球半径保持不变，但下落吸积由于多普勒抑制导致观测亮度显著降低，且总流量主要由直接辐射主导，光子环贡献可忽略，引力透镜环贡献极少，从而为未来观测中通过亮度对比与电荷依赖的强度偏移区分Bardeen黑洞与Schwarzschild黑洞提供了潜在依据。

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.

研究动机与目标

• 分析不同吸积模型如何影响Bardeen黑洞阴影图像与观测亮度。
• 研究磁单极荷（g）在塑造黑洞阴影与亮度分布中的作用。
• 在相同条件下，比较Bardeen黑洞与Schwarzschild黑洞的观测特征。
• 确定在薄盘吸积中，直接辐射、光子环与引力透镜环对总观测流量的相对贡献。
• 探讨吸积动力学与时空参数的变化是否可作为未来观测中区分Bardeen黑洞与Schwarzschild黑洞的判据。

提出的方法

• 采用光线追踪模拟，数值求解零测地线方程，以建模Bardeen时空中光子轨迹。
• 使用带有磁单极荷参数（g）的Bardeen度规，以模拟无奇点的正则黑洞时空。
• 模拟三种吸积模型：静态球对称吸积、下落球对称吸积（含多普勒增强效应）以及光学薄盘吸积。
• 从远处观测者的视角计算观测强度图，区分直接辐射、光子环与引力透镜环的贡献。
• 在薄盘上应用不同发射分布（如径向依赖关系），以评估图像平面上的流量分布。
• 将结果与Schwarzschild时空对比，以分离磁单极荷与吸积动力学对可观测特征的影响。

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.

实验结果

研究问题

• RQ1 Bardeen时空中的磁单极荷（g）如何影响光子球半径与阴影尺寸？
• RQ2 在静态与下落球对称吸积之间选择不同吸积模型，如何影响黑洞阴影的观测亮度与亮度分布？
• RQ3 在Bardeen黑洞周围的薄盘吸积中，直接辐射、光子环与引力透镜环对总观测流量的相对贡献如何？
• RQ4 随着磁单极荷g的增加，Bardeen黑洞的观测亮度如何变化？与Schwarzschild情况相比有何差异？
• RQ5 在未来的观测中，观测亮度分布（尤其是中心阴影亮度与环状强度）是否能区分Bardeen黑洞与Schwarzschild黑洞？

主要发现

• 光子球半径与阴影尺寸在不同吸积模型下保持不变，证实其为时空几何的固有属性。
• 在下落球对称吸积模型中，由于向内运动物质引起的多普勒抑制，观测亮度显著低于静态情况。
• 对于相同的磁单极荷（g），静态模型下的最大观测亮度约为Schwarzschild情况（g=0）的两倍，表明其对g有强烈依赖性。
• 在薄盘吸积中，直接辐射主导观测流量，贡献了绝大部分亮度，而引力透镜环贡献较小，光子环贡献可忽略不计。
• 随着磁单极荷g的增加，光子环与引力透镜环的相对面积增大，而直接辐射区域缩小，导致整体观测图像变暗。
• 阴影中心区域并非完全黑暗；其亮度随g略有增加，尤其在静态吸积模型中，提供了潜在的观测特征。

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).