[论文解读] Observational Signature and Additional Photon Rings of Asymmetric Thin-shell Wormhole

Jun Peng, Minyong Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 7被引用 9

一句话总结

本文研究了非对称薄壳虫洞（ATWs）周围吸积盘的观测外观，表明由于虫洞喉部的光子反射，ATWs会产生两个不同于黑洞阴影的额外光子环。与黑洞不同，ATWs在对面临界曲线附近表现出高度缩小的环，而在主临界曲线内部则出现更明亮、中等尺寸的环，从而为区分超致密天体与黑洞提供了独特的光学特征。

ABSTRACT

Recently, a distinct shadow mechanism was proposed by Wang et al. from the asymmetric thin-shell wormhole (ATW) in [Phys. Lett. B 811 (2020) 135930]. On the other hand, Gralla et al's work [Phys. Rev. D 100 (2019) 2, 024018] represented a nice description of photon rings in the presence of an accretion disk around a black hole. In this paper, we are inspired to thoroughly investigate the observational appearance of an accretion disk around the ATW. Although the spacetime outside an ATW with a throat could be identical to that containing a black hole with its event horizon, we show evident additional photon rings from the ATW spacetime. Moreover, a potential lensing band between two highly demagnified photon rings is found. Our analysis provides an optically observational signature to distinguish ATWs from black holes.

研究动机与目标

• 分析非对称薄壳虫洞（ATWs）周围光学薄吸积盘的观测外观，其外部时空几何与黑洞时空相似。
• 识别并表征ATW时空中的光子环，这些光子环与史瓦西黑洞中的光子环不同，原因在于缺乏事件视界而存在反射性喉部。
• 确定吸积盘的传输函数和观测强度分布是否能揭示ATWs的独特特征，如额外的光子环或引力透镜带。
• 提供一种光度和几何上的观测特征，即使在外部时空几何与黑洞完全相同（至喉部为止），也能将ATWs与黑洞区分开来。
• 探讨光子在喉部的反射以及通过喉部的多次偏转路径在生成黑洞系统中不存在的新奇引力透镜结构中的作用。

提出的方法

• 将ATW建模为两个具有不同质量参数的史瓦西时空通过剪裁与拼接而成，连接于喉部半径 R > max{2M₁, 2M₂} 处。
• 利用有效势形式化方法推导两个时空中的零测地线和偏转角，其中影响参数通过 Z = √[(R−2k)/(R−2)] 关联，其中 k = M₂/M₁。
• 引入新的轨道编号，用于统计那些两次穿越喉部的光子的总偏转角：进入 M₁ 时空，穿过喉部，到达 M₂ 时空中的转折点，再通过喉部返回。
• 构建光子发射与接收的传输函数，考虑多重路径和偏转序列，以计算观测到的强度和强度密度图。
• 应用两种发射模型（I 和 II）来模拟吸积盘的发射，其中模型 II 允许发射轮廓与新的传输函数段重叠。
• 使用光线追踪技术生成观测者天空中的观测强度图和密度图，并对比ATW与史瓦西黑洞的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 非对称薄壳虫洞周围的吸积盘发射是否会产生可观察到的、与黑洞不同的光子环？
• RQ2 通过虫洞喉部的多重偏转路径如何影响观测天空中光子环和引力透镜结构的形成？
• RQ3 缺乏事件视界而存在反射性喉部在生成黑洞时空中未出现的额外光子环中起什么作用？
• RQ4 ATW的传输函数是否表现出结构差异（如非单调行为或分支分裂），与黑洞相比，这些差异如何影响观测强度？
• RQ5 在ATW时空是否存在由于新传输函数贡献而在临界曲线之间形成引力透镜带的现象，以及在何种发射模型条件下该透镜带会变得可见？

主要发现

• ATW时空产生了两个在史瓦西黑洞中不存在的额外光子环：一个在对面时空的临界曲线 Zb₂ᶜ 附近高度缩小的环，另一个位于主临界曲线 b₁ᶜ 内部的更明亮、中等尺寸的环。
• ATW时空中的第三个传输函数分裂为两个分支，而黑洞时空中的传输函数仅有一个单调分支，这是由于存在多个转折点和喉部的反射所致。
• ATW中的第二个传输函数不再单调；在标准递增部分之前出现一个新的非单调段，这是由穿越喉部并在对侧时空中转折后返回的光子引起的。
• 在发射模型 II 中，由于与新的第二传输函数段重叠，在临界曲线 Zb₂ᶜ 和 b₁ᶜ 之间形成一个明显的引力透镜带，这一特征在黑洞系统中不存在。
• 位于 b₁ᶜ 内部的中间环比外侧的引力透镜环更小，但显著更亮、更突出，使其在高分辨率成像中可被探测到。
• 这些额外的光子环和引力透镜结构源于光子在虫洞喉部的反射，而黑洞由于其单向事件视界而不存在这一机制，从而为区分超致密天体与黑洞提供了独特的光学特征。