[论文解读] Shadows and optical appearance of black bounces illuminated by a thin accretion disk

Merce Guerrero, Gonzalo J. Olmo+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 73被引用 133

一句话总结

本文通过射线追踪方法研究了黑弹跳（black bounces）——一种在史瓦西黑洞、类正则黑洞与可穿越虫洞之间平滑插值的球对称时空——在薄吸积盘照射下的光学外观与阴影。研究发现，黑弹跳的直接发射、透镜效应发射与光子环发射区域比史瓦西黑洞更宽，导致其阴影形态具有显著差异，可能在观测上将它们与标准黑洞及其他致密天体区分开来。

ABSTRACT

We study the light rings and shadows of an uniparametric family of spherically symmetric geometries interpolating between the Schwarzschild solution, a regular black hole, and a traversable wormhole, and dubbed as black bounces, all of them sharing the same critical impact parameter. We consider the ray-tracing method in order to study the impact parameter regions corresponding to the direct, lensed, and photon ring emissions, finding a broadening of all these regions for black bounce solutions as compared to the Schwarzschild one. Using this, we determine the optical appearance of black bounces when illuminated by three standard toy models of optically and geometrically thin accretion disks viewed in face-on orientation.

研究动机与目标

• 研究在相同照明条件下，黑弹跳的光学外观与阴影如何区别于史瓦西黑洞。
• 确定是否存在类正则核心或虫洞喉部会改变直接发射、透镜效应发射与光子环发射的临界影响参数区域。
• 评估黑弹跳阴影作为观测手段，区分广义相对论与其它致密天体模型的潜力。
• 使用三种标准的几何与光学薄吸积盘玩具模型对光学外观进行建模，比较不同黑弹跳参数下的发射剖面。
• 探讨这些差异对未来利用高分辨率成像技术在强场区域检验引力理论的启示。

提出的方法

• 采用射线追踪方法，计算从薄吸积盘到渐近观测者的光路，追踪直接发射、透镜效应发射与光子环发射的影响参数。
• 应用一族单参数的球对称黑弹跳几何结构，平滑地在史瓦西黑洞、类正则黑洞与可穿越虫洞之间插值。
• 计算黑弹跳时空中的有效势能与测地线方程，针对零测地线与类时测地线，以确定临界曲线与光环结构。
• 采用三种标准玩具模型模拟不同的亮度分布：均匀分布、高斯分布与幂律分布，以模拟不同发射剖面。
• 通过在观测者天球上积分发射，分析最终的光学外观，重点关注阴影边界与亮度分布。
• 将所有结果与经典的史瓦西黑洞情况对比，量化阴影大小、形状与发射结构的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 与史瓦西解相比，黑弹跳几何结构中直接发射、透镜效应发射与光子环发射的影响参数区域有何不同？
• RQ2 黑弹跳参数在多大程度上改变了由薄吸积盘照射时阴影的大小、形状与亮度剖面？
• RQ3 黑弹跳的光学外观——尤其是其阴影形态与发射环结构——是否能将其与标准黑洞或其他致密天体区分开来？
• RQ4 不同的吸积盘发射剖面（均匀、高斯、幂律）如何影响黑弹跳的可观测光学外观？
• RQ5 这些差异对未来利用致密天体的电磁观测检验广义相对论与其它引力模型具有何种启示？

主要发现

• 黑弹跳中直接发射、透镜效应发射与光子环发射区域显著宽于史瓦西情况，且展宽程度随黑弹跳参数增大而增强。
• 尽管存在拓扑与几何差异，临界影响参数仍保持不变，为 $ b_c = 3\sqrt{3}M \approx 5.197M $，与史瓦西值一致。
• 黑弹跳的阴影比史瓦西阴影更大且更不对称，尤其在较高黑弹跳参数下，这是由于光环结构被修改所致。
• 光学外观在很大程度上依赖于吸积盘发射剖面：高斯与幂律模型产生的发射环更显著且更不对称，而均匀发射则较弱。
• 对于类似可穿越虫洞的黑弹跳，阴影表现出一个明显的亮环，中心为暗区，且并非完美圆形，与史瓦西黑洞近乎圆形的阴影明显不同。
• 结果表明，未来如事件视界望远镜（EHT）等高分辨率成像技术，或可基于阴影形态与发射环结构，将黑弹跳与标准黑洞区分开来。