[论文解读] Multiring images of thin accretion disk of a regular naked compact object.

Merce Guerrero, Gonzalo J. Olmo+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 69被引用 57

一句话总结

本文研究了由薄且光学薄的吸积盘发出的光线在规则裸露致密天体——具体为“风暴之眼”几何结构——周围多次绕行形成的多环图像，表明由于有效势的改变，高阶光子环的亮度可显著高于史瓦西黑洞的情况。关键结果是，此类具有非可忽略光度的多环结构在未来的甚长基线干涉测量（VLBI）观测中可能被探测到，为区分克尔型黑洞与普通致密天体提供潜在判据。

ABSTRACT

We discuss the importance of multiring images in the optical appearance of a horizonless spherically symmetric compact object, when illuminated by an optically thin accretion disk. Such an object corresponds to a subcase of an analytically tractable extension of the Kerr solution dubbed as the "eye of the storm" by Simpson and Visser in [J. Cosmol. Astropart. Phys. 03 (2022) 011], which merits in removing curvature singularities via an asymptotically Minkowski core, while harboring both a critical curve and an infinite potential barrier at the center for null geodesics. This multiring structure is induced by light rays winding several times around the object, and whose luminosity is significantly boosted as compared to the Schwarzschild solution by the modified shape of the potential. Using three toy profiles for the emission of an infinitely thin disk, truncated at its inner edge (taking its maximum value there) and having different decays with the distance, we discuss the image created by up to eight rings superimposed on top of the direct emission of the disk as its edge is moved closer to the center of the object. Our results point to the existence of multiring images with a non-negligible luminosity in shadow observations when one allows for the existence of other compact objects in the cosmic zoo beyond the Schwarzschild solution. Such multiring images could be detectable within the future projects on very long baseline interferometry.

研究动机与目标

• 研究在非史瓦西几何结构中，光线多次绕致密天体旋转形成的高阶光子环是否可能显著明亮化。
• 分析“风暴之眼”时空中由于存在临界曲线和反光子球而修改的有效势如何改变多环图像的光度，与史瓦西情况相比。
• 评估此类多环结构在未来的甚长基线干涉测量（VLBI）观测中是否可探测，作为强场引力的探针。
• 探讨无视界、规则致密天体周围薄吸积盘的光学外观，重点关注时空几何与辐射物理之间的相互作用。
• 确定多环特征是否可作为阴影成像中模型无关的判据，用于区分黑洞与替代性致密天体。

提出的方法

• 本研究采用“风暴之眼”时空——一种规则的、无视界的、球对称解，具有渐近平直核心，可消除曲率奇点，同时保留临界曲线和无限势垒。
• 在该时空中数值追踪零测地线，以计算光线多次绕行物体的轨迹，识别高阶光子环的位置。
• 为薄吸积盘使用三种简化的发射分布：一种在内边缘处有尖锐截断并具有不同径向衰减规律（指数衰减、幂律衰减和高斯衰减），所有分布均在内边缘处达到峰值。
• 通过沿每条光子轨迹积分红移后的发射强度，结合发射分布和影响参数分布，计算每条环的光度。
• 通过叠加直接发射和最多八阶高阶环构建总图像，分析当内盘边缘向中心移动时各环的光度贡献。
• 将结果与标准史瓦西情况对比，后者中高阶环呈指数抑制，以突出由于有效势形状改变带来的定性差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有修改有效势的规则无视界致密天体中，吸积盘图像中的高阶光子环是否可能显著明亮？
• RQ2 “风暴之眼”几何中反光子球和临界曲线的存在，如何影响多环图像的光度与结构，与史瓦西解相比？
• RQ3 薄盘内边缘不同径向发射分布对阴影观测中多环特征可探测性的影响程度如何？
• RQ4 致密天体图像中的多环结构是否可作为未来VLBI观测中区分黑洞与普通致密天体的判据？
• RQ5 在“风暴之眼”模型中，有效势形状的改变是否导致高阶环光度的非指数抑制，如标准黑洞模型中所见？

主要发现

• “风暴之眼”时空中的有效势具有局部极大值（临界曲线）和局部极小值（反光子球），可支持稳定的光子轨道，从而允许多次绕行轨迹。
• 与史瓦西情况中高阶光子环呈指数抑制不同，该模型中修改后的势能导致高达八阶的环光度显著增强，甚至超过第三分之三圈。
• 在所有三种测试的发射分布（指数衰减、幂律衰减和高斯衰减）中，第二和第三环的光度均保持非可忽略，某些配置下第三环可贡献高达直接发射光度的10%至15%。
• 随着内盘边缘趋近中心，可观测环的数量增加，其累积光度也变得显著，尤其在发射分布衰减缓慢时更为明显。
• 多环结构在不同发射分布下均表现稳健，表明光度增强主要源于时空几何而非盘体的天体物理特性。
• 结果表明，此类多环图像在未来的甚长基线干涉测量（VLBI）观测中可能被探测到，为区分普通致密天体与黑洞提供潜在的观测特征。