[论文解读] Probing a nonlinear electrodynamics black hole with thin accretion disk, shadow and deflection angle with M87* and Sgr A* from EHT

Akhil Uniyal, Reggie C. Pantig+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 7

一句话总结

本文通过薄吸积盘、黑洞阴影和弱引力偏转角，研究了非线性电动力学（NLE）黑洞模型，其约束条件来自对M87*和Sgr A*的事件视界望远镜（EHT）观测。研究发现，NLE参数β显著影响阴影大小、通量分布和偏转角，EHT数据为β提供了上限，尤其对M87*更为严格。

ABSTRACT

Non-linear interaction between the electromagnetic fields (EMF) occurs when vacuum polarization in quantum electrodynamics (QED) happens. The field of non-linear electrodynamics, which may result from this interaction, could have important effects on black hole physics. This paper considers the asymptotically flat black hole solution in Einstein-nonlinear electrodynamics (NLE) fields. We study the effect of the NLE parameters on the black hole deflection angle using the Gauss-Bonnet theorem in weak field limits, shadow cast using the null geodesics method, and thin accretion disk using the Novikov-Thorne model. In particular, we studied the time-averaged energy flux, the disk temperature, the differential luminosity, the different emission profiles, and infalling spherical accretion. Then we show how the physical quantities depend on $β$ and $C$ parameters of NLE and provide some constraints on the NLE parameters using the observations of M87* and Sgr A* from EHT.

研究动机与目标

• 研究非线性电动力学（NLE）对黑洞属性（如阴影、吸积盘辐射和弱偏转角）的影响。
• 利用M87*和Sgr A*的EHT观测数据，约束NLE耦合参数β。
• 研究NLE修正如何改变黑洞附近时空几何结构及其可观测特征。
• 评估未来高分辨率仪器（如EHT和RadioAstron）探测NLE效应的可能性。
• 在弱场和近视界区域，比较NLE预测与Reissner-Nordström及Schwarzschild解的差异。

提出的方法

• 利用高斯-博内定理，在NLE黑洞时空的弱场极限下计算弱偏转角。
• 采用零测地线方法计算黑洞阴影及其对NLE参数β和C的依赖性。
• 应用Novikov-Thorne模型计算薄吸积盘中的时间平均能量通量、盘温度和微分亮度。
• 建立球对称吸积流模型，分析观测强度分布及其对β的依赖性。
• 通过与理论预测比较，利用EHT测量的M87*和Sgr A*阴影直径，约束β的允许范围。
• 使用Okyay-Övgün Mathematica工具包，模拟并比较三种吸积盘发射的玩具模型的发射轮廓。

实验结果

研究问题

• RQ1 与Schwarzschild和Reissner-Nordström情形相比，非线性电动力学参数β如何影响黑洞阴影的大小和形状？
• RQ2 NLE修正在多大程度上改变了薄吸积盘的能量通量、温度和微分亮度分布？
• RQ3 弱偏转角对NLE参数β的敏感度如何，特别是在光子球附近？
• RQ4 EHT对M87*和Sgr A*的观测能否为NLE耦合参数β提供有意义的约束？
• RQ5 在NLE效应下，阴影图像中的直接发射与透镜环贡献如何变化？

主要发现

• 随着β增大，阴影半径增加，尤其在靠近黑洞的观测者中表现明显，但远处观测者时偏差趋近于Reissner-Nordström情形。
• 对于M87*，EHT数据为β设定了上限，且所需值高于Sgr A*，表明M87*对β的约束更敏感。
• 随着β增大，时间平均能量通量和微分亮度峰值减小，这是由于NLE时空中的势阱更深所致。
• 在第三种发射模型中，透镜环更加显著，表明NLE效应可显著改变阴影图像的结构。
• 弱偏转角随β增大而增加，尤其在接近光子球的碰撞参数处，且未来仪器（如EHT，10 μas；RadioAstron，1–10 μas）可探测到该效应。
• 在球对称吸积中，观测强度峰值随β增大而上升，且在二维强度图中，较大β值下视界附近亮度更高，即使电荷较低（Q = 0.01M）亦然。