Exact wave-optical imaging of a Kerr-de Sitter black hole using Heun's equation
Abstract: Spacetime perturbations due to scalar, vector, and tensor fields on a fixed background geometry can be described in the framework of Teukolsky's equation. In this work, wave scattering is treated analytically, using the Green's function method and solutions to the separated radial and angular differential equations in combination with a partial wave technique for a scalar and monochromatic perturbation. The results are applied to analytically describe wave-optical imaging via Kirchhoff-Fresnel diffraction, leading to, e.g., the formation of observable black hole shadows. A comparison to the ray-optical description is given, providing new insights into wave-optical effects and properties. On a Kerr-de Sitter spacetime, the cosmological constant changes the singularity structure of the Teukolsky equation and allows for an analytical, exact solution via a transformation into the Heun's differential equation, which is the most general, second-order differential equation with four regular singularities. The scattering of waves originating from a point source involves a solution in terms of the so-called Heun's function $Hf$. It is used to find angular solutions, which form a complete set of orthonormal functions similar to the spherical harmonics. Our approach allows to solve the scattering problem while taking into account the complex interplay of Heun's functions around local singularities.
- Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 875, L1 (2019).
- Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 930, L12 (2022).
- V. Perlick and O. Y. Tsupko, Physics Reports 947, 1 (2022).
- V. Perlick, O. Y. Tsupko, and G. S. Bisnovatyi-Kogan, Physical Review D 97, 104062 (2018).
- A. Grenzebach, V. Perlick, and C. Lämmerzahl, International Journal of Modern Physics D 24, 1542024 (2015).
- J. M. Bardeen, in Black Holes (Les Astres Occlus) (1973) pp. 215–239.
- Y. Nambu, S. Noda, and Y. Sakai, Physical Review D 100, 10.1103/physrevd.100.064037 (2019).
- S. G. Turyshev and V. T. Toth, Physical Review D 101, 044048 (2020).
- S. G. Turyshev and V. T. Toth, Physical Review D 104, 124033 (2021).
- N. Andersson, Physical Review D 52, 1808 (1995).
- N. Andersson and B. P. Jensen (2000) arXiv:gr-qc/0011025 [gr-qc] .
- S. R. Dolan and T. Stratton, Physical Review D 95, 124055 (2017).
- T. Stratton and S. R. Dolan, Physical Review D 100, 024007 (2019).
- J. Feldbrugge and N. Turok, Gravitational lensing of binary systems in wave optics (2020).
- P. Schneider, J. Ehlers, and E. E. Falco, Gravitational Lenses (Springer Berlin Heidelberg, 1999).
- H. Motohashi and S. Noda, Progress of Theoretical and Experimental Physics 2021, 10.1093/ptep/ptab097 (2021).
- H. Suzuki, E. Takasugi, and H. Umetsu, Progress of Theoretical Physics 100, 491 (1998).
- H. Suzuki, E. Takasugi, and H. Umetsu, Progress of Theoretical Physics 103, 723 (2000).
- D. Batic and H. Schmid, Journal of Mathematical Physics 48, 042502 (2007).
- N. Kamran and R. G. McLenaghan, Gravitation and Geometry , 279 (1987).
- M. Hortaçsu, Advances in High Energy Physics 2018, 1 (2018).
- M. Hortaçsu, The European Physical Journal Plus 135, 10.1140/epjp/s13360-020-00283-1 (2020).
- Y. Nambu and S. Noda, Physical Review D 105, 045022 (2022).
- A. G. Schmidt and M. E. Pereira, Annals of Physics 458, 169465 (2023).
- J. P. Jerry B. Griffiths, Exact Space-Times in Einstein’s General Relativity (Cambridge University Press, 2012).
- F. Belgiorno and S. L. Cacciatori, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 42, 135207 (2009).
- F. J. Zerilli, Physical Review Letters 24, 737 (1970).
- E. Newman and R. Penrose, Journal of Mathematical Physics 3, 566 (1962).
- S. A. Teukolsky, The Astrophysical Journal 185, 635 (1973).
- A. Ronveaux, Heun’s Differential Equations (Oxford University Press, 1995).
- Maplesoft, Mathematical functions: Heung, heungprime (2022).
- O. V. Motygin, in 2015 Days on Diffraction (DD) (IEEE, 2015).
- T. Birkandan, P.-L. Giscard, and A. Tamar, in 2021 Days on Diffraction (DD) (IEEE, 2021).
- L. Dekar, L. Chetouani, and T. F. Hammann, Journal of Mathematical Physics 39, 2551 (1998).
- P. P. Fiziev (2016) arXiv:1606.08539 [math-ph] .
- J. Meixner and F. W. Schäfke, Mathieusche Funktionen und Sphäroidfunktionen (Springer Berlin Heidelberg, 1954).
- P. A. Becker, Journal of Mathematical Physics 38, 3692 (1997).
- E. D. Fackerell and R. G. Crossman, Journal of Mathematical Physics 18, 1849 (1977).
- E. Berti, V. Cardoso, and M. Casals, Physical Review D 73, 024013 (2006).
- E. W. Leaver, Journal of Mathematical Physics 27, 1238 (1986).
- S. R. Dolan, E. S. Oliveira, and L. C. B. Crispino, Physical Review D 79, 064014 (2009).
- S. Noda and H. Motohashi, Physical Review D 106, 064025 (2022).
- K. K. Sharma, Optics - principles and appliations (Elsevier Science & Techn., 2006).
- P. V. Bliokh and A. A. Minakov, Gravitational lenses (Kiev, Izdatel’stvo Naukova Dumka, 1989).
- J. Ibanez, Astronomy and Astrophysics 124, 175 (1983).
- A. Grenzebach, The Shadow of Black Holes (Springer International Publishing, 2016).
- W. Kinnersley, Journal of Mathematical Physics 10, 1195 (1969).
- R. Geroch, A. Held, and R. Penrose, Journal of Mathematical Physics 14, 874 (1973).
- S. Chandrasekhar, The Mathematical Theory of Black Holes (OUP Oxford, 1998).
- H. Zhang and X. Fan, Science China Physics, Mechanics and Astronomy 64, 10.1007/s11433-021-1764-y (2021).
- J. E. Bloomfield, Fourier Analysis of Time Series (John Wiley & Sons, 2000).
- F. A. Handler and R. A. Matzner, Physical Review D 22, 2331 (1980).
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.