[论文解读] Shadow casted by a twisted and rotating black hole

Songbai Chen, Jiliang Jing|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 3

一句话总结

本文研究了扭曲旋转黑洞的阴影——一种在四维爱因斯坦引力中具有旋转参数但无总角动量的真空解。尽管存在旋转参数，阴影始终为圆形盘状，且与观测者倾角无关，光子球半径与阴影尺寸均随旋转参数单调增加，其行为更类似于静态黑洞而非Kerr型黑洞。

ABSTRACT

Zhang have obtained recently a twisted rotating black hole metric, which is a vacuum solution in four-dimensional Einstein gravity. This black hole solution has a rotation parameter, but without the total angular moment. Here, we have investigated the shadow casted by a twisted rotating black hole. Our results show that the shape of the shadow of the twisted rotating black hole is a standard round disk and does not depend on the inclination angle of the observer. It means that although the twisted rotating black hole has a rotation parameter, its shadow possesses the same behaviors as the common static black hole rather than the usual Kerr-like black holes. Moreover, we find that the marginally circular orbit radius of photon is independent of the direction of photon around the black hole. The value of the marginally circular orbit radius of photon and the size of shadow increase monotonously with the rotation parameter.

研究动机与目标

• 分析扭曲旋转黑洞的阴影形态，该黑洞为四维爱因斯坦引力中的新型真空解。
• 研究尽管无总角动量，旋转参数如何影响阴影形状与尺寸。
• 确定阴影是否表现出典型Kerr型黑洞的行为，或更类似于静态黑洞。
• 研究准稳定光子轨道的性质及其对方向与旋转的依赖性。

提出的方法

• 本研究采用张近期推导出的扭曲旋转黑洞度规，其满足四维真空爱因斯坦方程。
• 利用零测地线方程追踪黑洞附近的光子轨迹，计算阴影。
• 改变观测者的倾角以评估其对阴影表观形状与尺寸的影响。
• 在赤道平面中，使用有效势方法计算准稳定圆形光子轨道的半径。
• 阴影边界由对应于光子逃逸至无穷远或坠入视界临界影响参数确定。
• 采用数值模拟可视化阴影，并分析其对旋转参数与观测方向的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭曲旋转黑洞的阴影与标准Kerr黑洞的阴影有何不同？
• RQ2 尽管存在旋转参数，阴影形状是否仍保持圆形且与观测者倾角无关？
• RQ3 准稳定光子轨道半径如何随旋转参数与光子方向变化？
• RQ4 在无总角动量的情况下，阴影尺寸与旋转参数的标度关系如何？
• RQ5 阴影行为更类似于静态黑洞还是旋转Kerr黑洞？

主要发现

• 扭曲旋转黑洞的阴影始终为完美圆形，与观测者倾角无关。
• 阴影尺寸随旋转参数单调增加，表明存在直接的标度关系。
• 准稳定圆形光子轨道的半径与光子在黑洞周围的方位角方向无关。
• 光子球半径随旋转参数增加而增大，与阴影尺寸的增加一致。
• 尽管具有旋转参数，阴影的行为仍与静态黑洞极为相似，而非Kerr型旋转黑洞。
• 无总角动量并不改变阴影的圆形对称性或光子轨道半径的各向同性。