银河系中心超大质量黑洞引力检验与黑洞吸积实测研究

论文摘要

爱因斯坦的广义相对论是公认的最成功的引力理论。虽然其在弱引力场中得到了高精度实验验证,但在强引力场下尚待检验。黑洞是广义相对论的基本预言之一,黑洞附近引力势极强,时空高度弯曲。此时广义相对论是否同样适用?是否需要引入其他修改引力来描述?银河系中心的超大质量黑洞候选体人马A*（Sagittarius A*）是离地球最近的,拥有最大视角直径,理所当然成为了解答上述问题的绝佳基本物理实验室。在理论层面,引力所致光线偏折是广义相对论预言的基本天文现象之一。黑洞附近强引力场光线偏折现象与弱引力场光线偏折现象截然不同。强引力场会使光线偏折超过2π,即光子绕黑洞数圈后才飞向观测者,于是位于黑洞后的点光源会在黑洞两侧形成一系列的离散点像,称为相对论像。若以人马A*为透镜,其相对论像的可观测量,如位置、亮度,相对论像之间的引力时间延迟,可用来定量研究该黑洞的时空性质。本文采用强偏折极限（Strong Deflection Limit,SDL）方法,针对可规避无毛定理的带电伽利略子黑洞和两种无奇点黑洞——修改的海沃德（Hayward）黑洞、李-威克（Lee-Wick）黑洞,研究了它们的强引力场引力透镜,并对相应的修改引力进行检验。发现在10纳角秒（nas）量级上,修改引力与广义相对论所预言的天文现象存在显著差异。在观测层面,毫米波甚长基线干涉（mm-waves Very Long Baseline Interfer-ometry,mm-VLBI）技术已实现对黑洞的直接成像。黑洞周围相对论性等离子体吸积流所发射的电磁辐射图像中存在一块不发光的阴影,其半径稍大于黑洞视界。若认为其边界是黑洞附近运动光子的最内不稳定轨道在视线垂直平面上的投影,则阴影的大小与形状只与黑洞的时空性质有关,而与吸积过程无关。因此,对阴影的测量可以检验黑洞视界附近的强引力。广义相对论预言人马A*的阴影视直径约为50微角秒（μas）。事件视界望远镜（Event Horizon Telescope,EHT）在2019年4月10日发布了人类首次观测到的黑洞图像,针对的是拥有第二大视角直径的M87星系中心黑洞,并测得其阴影直径为42±3μas。但由于其质量的不确定,该结果难以用于检验广义相对论。在首张黑洞图像的鼓舞下,人们更加期待EHT对人马A*的观测图像,并期望在精准的质量和距离测量下,人马A*的阴影测量可以为黑洞附近的引力理论提供更加精确的限制。然而,人马A*与M87存在很大差异。人马A*存在快速光变和结构变化,因此黑洞吸积对人马A*成像观测影响巨大。故而在检验引力之前,首先要对黑洞的物理特性有充分的了解,包括黑洞的自转、物质的吸积率、磁场、等离子体热力学以及相对于观测者的倾角和位置角等。本文针对EHT2017年的模拟观测和2009年的实际观测,在UV空间对人马A*的吸积进行了研究。具体而言,作者利用一套包含广义相对论磁流体力学模拟、光线追踪算法、模型观测量计算和动态参数扫描的模型比较框架,在考虑银河系星际介质散射的情况下将模型与可见度幅度、闭合相位数据进行比较,最终得到在贝叶斯统计下的黑洞吸积物理参数。吸积模型与EHT2009观测数据比较的结果显示,人马A*呈高度不对称的新月形状,东明西暗,吸积盘边缘朝向地球,且在自转a*=0.9375假设下,其吸积气体的电子离子退耦过程更可能发生于非弱的磁化区域当中。该结果有待EHT2017观测数据进一步确认。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 强引力场下的引力透镜

1.2 修改引力及其检验

1.3 银河系中心超大质量黑洞及mm-VLBI观测

1.4 黑洞吸积理论及其与观测的比较

1.5 论文结构

第2章强引力场下的光线偏折

2.1 透镜方程

2.2 引力光线偏折与强偏折角近似

2.3 强偏折角近似下的引力时间延迟

2.4 相对论像的位置和亮度

2.5 相对论像间的引力时间延迟

第3章用强偏折近似方法检验修改引力

3.1 检验带电荷的伽利略子黑洞

3.1.1 带电伽利略子黑洞的时空

3.1.2 带电伽利略子黑洞的SDL系数

3.1.3 带电伽利略子黑洞的相对论像

3.1.4 带电伽利略子黑洞相对论像的时间延迟

3.1.5 结果讨论

3.2 检验修改的海沃德黑洞

3.2.1 修改的海沃德黑洞的时空

3.2.2 修改的海沃德黑洞的可观测量

3.2.3 结果讨论

3.3 检验李-威克黑洞

3.3.1 李-威克黑洞的时空

3.3.2 李-威克黑洞的观测量

第4章黑洞吸积模型与参数估计框架

4.1 射电源的物理模型

4.2 合成VLBI观测

4.3 似然函数与先验分布概率

4.4 MCMC采样方法与参数估计

4.4.1 并行退火MCMC

4.4.2 仿射不变采样方法

4.4.3 差分进化采样方法

4.4.4 采样器初始化与局域最优规避

4.5 模型参数估计程序小结

第5章基于EHT模拟观测和实测数据的黑洞吸积模型参数估计

5.1 基于EHT2017模拟观测的参数估计

*EHT2017观测模拟'> 5.1.1 人马A^*EHT2017观测模拟

5.1.2 单参数估计

5.1.3 多参数估计

5.2 基于EHT2009实测数据的参数估计

5.3 结果与讨论

第6章总结与展望

6.1 总结

6.1.1 理论方面

6.1.2 实测方面

6.2 展望

*成像观测的展望'> 6.2.1 EHT人马A^*成像观测的展望

6.2.2 mm-VLBI检验修改引力的展望

附录A SDL方法与计算

A.1 SDL下的偏折角计算

A.2 SDL下的时间延迟计算

附录B 模拟观测参数估计的其余检验

B.1 图像分辨率

B.2 “真值”模型

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵杉杉

导师: 谢懿,Heino Falcke

关键词: 强引力天文学,引力透镜,修改引力,黑洞物理,甚长基线干涉,事件视界望远镜,贝叶斯统计,马尔可夫链蒙特卡洛方法

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 南京大学

基金: 国家自然科学基金(11573015和11833004),国家留学基金委(国家建设高水平大学公派研究生项目),欧洲研究委员会(Synergy Grant 610058)

分类号: P145.8

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000147

总页数: 118

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