Imaging the shadow and the strongly lensed region of non-Kerr objects illuminated by accretion disks
Creators: name: Κώσταρος, Κωνσταντίνος Σταματίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Απεικόνιση Μελανών Οπών
Φράκταλ Σκιές
Δίσκοι Προσαύξησης
Black Hole Imaging
Fractal Shadows
Accretion Disks

description: In this thesis, we examine black hole shadows within three non-Kerr spacetimes: the Hartle &amp; Thorne, Johannsen-Psaltis, and Majumdar-Papapetrou di-hole metrics. Our focus is on configurations that transform these spacetimes into open Hamiltonian systems with three escapes. For all three spacetimes, two non-equatorial light rings (LRs) and a variable number of Fundamental Photon Orbits (FPOs) are present and photons can get trapped in the vicinity of their various combinations or resonate with a specific combination for prolonged periods of time. This behavior's effects are shown in their exit basin diagrams and their mathematical shadows that exhibit self-similar structures with high complexity, confirmed using the box-counting method. The shadows share globular arc-shaped features with an infinite hierarchy of eyebrows. We continue by introducing realistic astrophysical scenarios involving accretion tori and carry out a comparative analysis between a Johannsen-Psaltis compact object and a Kerr black hole for two spin configurations. Starting with an optically thick torus located close to the central object we show how key differences between the spacetimes are obscured due to self-eclipsing. The same procedure is repeated for the optically thin torus where we find differences in the horizon-scale images and spectra of the maximally spinning Kerr BH and JP object, with the latter's photon ring approaching the eyebrow features of its shadow. We then consider a torus located at the inner edge of the Broad-Line Region (BLR) and show that both its direct emission and strongly lensed region share broad and double peaked profiles with the latter peaking its way through the former's spectrum. The zoom-in on the photon rings of the three spacetime setups reveals that in the JP case, the photon ring breaks its circularity and wraps itself around the eyebrow features. The emission profiles of the horizon-scale images are double peaked for both spacetimes, with the second peak being double the height in the JP case. This peak emerges on the larger scale of the strongly lensed region, leading to observable differences between the two spacetimes. By resolving the set of subrings of two objects we finally show the photon rings' structure.
description: Στη παρούσα εργασία, εξετάζουμε τις σκιές μελανών οπών σε τρείς non-Kerr μετρικές: την Hartle &amp; Thorne, την Johannsen-Psaltis, και την στατική Majumdar-Papapetrou di-hole. Εστιάζουμε σε συνδιασμούς παραμέτρων που καθιστούν τα συστήματα ανοιχτά Χαμιλτονιανά με τρείς εξόδους. Βρίσκουμε πως οι τρεις χωρόχρονοι έχουν δύο μη-ισημερινούς δακτύλιους φωτός καθώς και εναν αριθμό θεμελιωδών τροχιών φωτονίων ο οποίος εξαρτάται από τις τιμές των παραμέτρων και φωτόνια που έρχονται από το άπειρο μπορούν να παγιδευτούν προσωρινά στη περιοχή των διαφόρων συνδιασμών τους. Η συμπεριφορά αυτή των φωτονίων έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση αυτοόμοιων δομών στις λεκάνες εξόδου και στις σκιές των τριών αντικειμένων. Οι σκιές φέρουν σφαιροειδή τοξοτά χαρακτηριστικά που περιβάλλονται απο φρακταλικές δομές φρυδιών. Στη συνέχεια εισάγουμε τόρους προσάυξησης με σκοπό την σύγκριση εικόνων και φασμάτων μεταξύ ενός Johannsen-Psaltis αντικείμενου και μιας μελανής οπής Kerr, για δύο παραμέτρους σπιν. Ξεκινάμε την ανάλυση μας θεωρώντας αδιαφανή τόρο κοντά στο κεντρικό αντικείμενο και δείχνουμε πως η αυτέκλειψη που προκαλεί κρύβει τις όποιες διαφορές μεταξύ των χωρόχρονων. Επαναλαμβάνουμε την ίδια διαδικασία για διαφανή τόρο και βρίσκουμε διαφορές στις εικόνες και τα φάσματα των αντικειμένων στην κλίμακα του ορίζοντα γεγονότων. Συνεχίζουμε με διαφορετικό τόρο μακριά απο το κεντρικό αντικείμενο, στην αρχή της Broad-Line Region (BLR), και δείχνουμε πως το άμεσο φάσμα του τόρου καθώς και αυτό της κεντρικής περιοχής ισχυρής σκέδασης έχουν φαρδιές γραμμές με δύο κορυφές με το φάσμα της τελευταίας να αποτυπώνεται σε αυτό της πρώτης. Εστιάζουμε στους δακτύλιους φωτός και βλέπουμε πως στη περίπτωση του JP αντικειμένου, αυτός σπάει τη κυκλικότητα του και προσκολλά στα χαρακτηριστικά για τον χωρόχρονο αυτοόμοια φρύδια. Τα προφιλ των γραμμών σε αυτή τη κλίμακα φέρουν διαφορές οι οποίες αποτυπώνονται με τη σειρά τους στο φάσμα της περιοχής ισχυρής σκέδασης καθιστώντας τες παρατηρήσιμες. Τέλος, αναλύουμε το σύνολο των υπο-δακτύλιων και παρουσιάζουμε τη δομή του δακτυλίου φωτός.