A Ray-Tracing Algorithm for Spinning Compact Object Spacetimes with Arbitrary Quadrupole Moments. I. Quasi-Kerr Black Holes
我们描述了一个新的数值算法的射线追踪的外部时空的旋转致密物体的特点是任意四极矩。这样的时空描述了非克尔真空解，可以用来检验无毛定理，并结合对吸积黑洞的观测。它们也适用于自旋频率在300-600 Hz范围内的中子星，这是低质量X射线双星中典型的爆发源。我们用我们的算法表明，允许时空的四极矩采取任意值导致可观察到的影响，在相对论性增宽荧光铁线的轮廓从几何薄吸积盘。
2010-11-17 astro-ph.HE gr-qc
OCTOPUS: A Versatile, User-Friendly, and Extensible Public Code for General-Relativistic Ray-Tracing in Spherically Symmetric and Static Spacetimes
University of South China（南华大学）；Hunan Institute of Technology（湖南工学院）；Nanjing University（南京大学）；University of Jinan（济南大学）
本文提出OCTOPUS，一个基于Fortran和OpenMP的通用相对论光线追踪代码，用于计算黑洞阴影、光子环等观测特征，并验证了暗物质晕参数对图像和光变曲线的影响。
2025-10-14 gr-qc
Public Release of RELXILL_NK: A Relativistic Reflection Model for Testing Einstein's Gravity
我们提出了relxill_nk的公开发布版本，这是一个用于检验克尔假设和广义相对论的X射线反射模型。这个模型扩展了relxill模型，该模型假设黑洞时空由克尔度规描述。我们还介绍了relxilllp_nk，第一个具有灯柱电晕配置的非克尔X射线反射模型，以及完整relxilllp_nk包中的所有其他模型。在所有模型中，相关的相对论效应都是通过广义相对论射线追踪代码计算的，该代码可以应用于任何行为良好的、静止的、轴对称的和渐近平坦的黑洞时空。我们表明，通过使用射线跟踪代码引入的数值误差是不显着的，与目前的X射线反射谱观测中存在的观测误差相比。此外，我们提出的反射谱的约翰森度规计算relxill_nk。
2019-06-18 astro-ph.HE gr-qc
OSIRIS: A New Code for Ray Tracing Around Compact Objects
在类星体和活动星系核中观测到的辐射主要是由靠近黑洞事件视界的相对论等离子体产生的，在那里强引力效应是相关的。这类系统的观测数据可以与理论模型进行比较，从而推断出黑洞和等离子体的性质。在比较过程中，射线追踪算法对于计算光子从光源到望远镜的轨迹至关重要。在本文中，我们提出OSIRIS：一个新的稳定的FORTRAN代码能够有效地计算零测地线周围紧凑的对象，包括广义相对论效应，如引力透镜，红移，相对论助推。该算法是基于哈密顿公式，并使用不同的积分方案来发展零测地线，同时跟踪误差的哈密顿约束，以确保物理结果。通过误差分析发现，所有的积分方案都是稳定的，最好的一个积分方案的误差保持在$10^{-11}$以下。特别地，为了测试程序在弯曲时空中演化测地线的鲁棒性和能力，我们计算了具有不同旋转参数的Kerr黑洞的阴影环和Einstein环，并得到了Schwarzschild黑洞周围的薄Keplerian吸积盘的图像.虽然OSIRIS既不与MPI也不与CUDA并行化，但计算时间与这些类型的并行计算平台的其他代码报告的计算时间具有相同的顺序。
2022-01-31 astro-ph.HE gr-qc physics.comp-ph
The Ray Tracing Analytical Solution within the RAMOD framework. The case of a Gaia-like observer
本文给出了太阳系引力场中观测者收集恒星辐射光子的逆射线追迹问题的解析解。这种解决方案被认为适合欧空局盖亚卫星（2013年12月19日发射）可实现的精度，与RAMOD框架内采用的广义相对论测量协议一致。这项研究的目的是为这样一个革命性的任务的科学开发提供一个广义相对论工具，其主要目标是从我们当地弯曲的时空中追溯恒星的方向，从而提供我们银河系的三维地图。结果是有用的一个彻底的比较和交叉检查验证已经存在的相对论天体测量领域。此外，这里提出的解析解可以扩展到其他测量模型，这些测量需要与盖亚相同的精度。
2015-01-15 gr-qc
Exploring Waveform Variations among Neutron Star Ray-tracing Codes for Complex Emission Geometries
本文验证了用于NICER脉冲轮廓建模的射线追踪代码在复杂热点几何下的波形精度，发现总体足够，但极端配置需谨慎。
2024-11-09 astro-ph.HE gr-qc
Mahakala: a Python-based Modular Ray-tracing and Radiative Transfer Algorithm for Curved Space-times
本研究推出基于Python与JAX框架的模块化弯曲时空光线追踪代码Mahakala，可高效模拟非Kerr时空光子轨迹，通过黑洞吸积流图像模拟验证其性能并定量分析了不同区域的辐射贡献。
2025-05-16 astro-ph.HE gr-qc
Testing relativistic reflection models with GRMHD simulations of accreting black holes
X射线反射光谱是目前研究黑洞周围吸积盘内部、测量黑洞自旋、甚至测试强引力场中基础物理的主要技术之一。然而，这些测量的准确性取决于用于光谱分析的反射模型，这有时会受到质疑。在这项工作中，我们使用广义相对论磁流体动力学（GRMHD）程序在克尔时空中产生一个薄的吸积盘，并使用光线追迹技术计算其相对论展宽的反射谱。我们模拟NuSTAR观测，我们测试的能力，目前的反射模型的基础上Novikov-Thorne磁盘恢复正确的输入参数。我们的研究表明，我们可以测量正确的输入参数的情况下，大倾角的源，而我们发现一些微小的差异时，磁盘的倾角是低的。
2022-10-13 astro-ph.HE gr-qc
Tracing light propagation to the intrinsic accuracy of space-time geometry
天文观测和技术仪器的进步需要以高精度编码光传播;这可能会打开一个新的检测窗口，以检测光在传播和纠缠时所遭受的许多微妙的相对论效应。光的传播及其随后的探测确实应该在完全相对论的背景下进行构思，以便根据影响光传播本身的几何环境来解释观测结果，作为一个单一的周围宇宙。最有趣的方面之一是促进了高度精确的模型的发展，这些模型能够重建与广义相对论和测量规则一致的光路。本文论述了这样一个主题的复杂性，显示如何几何框架的模型，如RAMOD，最初开发的天体测量观测，构成了一个适当的物理环境，为回溯光线符合内在的准确性的时空。本文讨论了RAMOD在光传播问题的现有方法中脱颖而出的原因，并在最近的文献案例中证明了它的能力。
2011-02-02 astro-ph.IM gr-qc math-ph
Seeing relativity -- I. Ray tracing in a Schwarzschild metric to explore the maximal analytic extension of the metric and making a proper rendering of the stars
我们提出了一个实现的射线跟踪代码在史瓦西度规。我们的目标是建立一个正确的实现特殊（像差，放大，多普勒）和一般（光的偏转，透镜，引力红移）相对论效应的数值代码，以模拟观察者以任意速度将看到附近，或可能在黑洞。我们还特别注意对星星进行令人满意的渲染。使用此代码，我们然后显示了几个未探索的功能的最大分析扩展的度量。特别是，我们研究的度量的第二个渐近区域的方面所看到的观察员穿越地平线。我们还讨论了与白洞区域相关的几个方面（即，过去的奇点），从黑洞外部、未来视界内部和过去视界内部都可以看到，这产生了最违反直觉的效果。
2018-08-31 gr-qc
General purpose ray-tracing and polarized radiative transfer in General Relativity
射线追踪是一个核心工具，用于构建模拟观测紧凑型物体的排放和比较物理排放模型与观测。我们提出Arcmancer，一个公开可用的通用光线跟踪和张量代数库，用C++编写，并提供Python接口。Arcmancer支持任何维度和度量的黎曼和半黎曼空间，并且具有新颖的功能，例如支持多个同步坐标图表，嵌入式几何形状，局部坐标系和自动并行传播。Arcmancer界面有广泛的文档记录和用户友好性。虽然这些能力使图书馆非常适合于各种各样的问题，在数值几何，本文的主要重点是在广义相对论偏振辐射转移。在几个代码测试和GRTRANS，现有的射线跟踪代码的比较证明了代码的准确性。然后，我们在几个场景中使用该库，以展示代码的广泛适用性。我们研究了一个薄的变几何吸积盘模型，发现极化携带着内盘张开角的信息。接下来，我们研究旋转的中子星，并确定，以获得偏振光曲线优于$\sim1\%$水平的精度，旋转需要考虑到在时空度量以及在形状的恒星。最后，我们研究了吸积黑洞被轨道黑洞透镜的观测特征。我们发现，这些系统表现出一个特征的不对称双峰轮廓的通量和偏振特性。
2018-08-28 astro-ph.HE astro-ph.IM gr-qc
Microlensing of non-singular black holes at finite size: a ray tracing approach
Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）
本文提出了一种光线追踪方法，用于研究非奇异黑洞在有限大小下的微透镜效应，发现其在光变曲线中具有更大的放大率。
2026-02-04 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
The Terrell-Penrose effect revisited and extended for black hole spacetime
Chongqing University（重庆大学）
本研究通过光线追踪模拟检验黑洞时空下的Terrell-Penrose效应，发现平直时空两种运动辐射源观测情况不等价，黑洞时空下情况i)共形变换仍成立、情况ii)引力产生额外影响。
2026-10-30 gr-qc
Electromagnetic Emission from Supermassive Binary Black Holes Approaching Merger
我们提出了第一个完全相对论性的预测电磁辐射从周围的气体的超大质量双黑洞系统接近合并。使用光线跟踪代码后处理数据从广义相对论3-D MHD模拟，我们生成的图像和光谱，并分析发射的光的视角依赖性。当吸积率相对较高时，环双星盘、吸积流和迷你盘结合在一起发出UV/EUV波段的光。我们测量了日冕辐射的热康普顿硬X射线谱;在高吸积率下，它几乎完全产生于小盘，但在低吸积率下，它也是小盘和吸积流的主要辐射机制。由于相对论性光束和引力透镜的作用，辐射功率的角分布具有很强的各向异性，尤其是在赤道面附近。
2018-06-14 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Relativistic force-free models of the thermal X-ray emission in millisecond pulsars observed by NICER
旋转供电毫秒双星（MSPs）的几个重要性质，如质量半径比、状态方程和磁场拓扑结构，可以从精确的观测和对它们的X射线光变曲线的建模中推断出来。在本研究中，我们模拟热X射线信号起源于MSP，所有的方式从数值求解周围的磁层的射线追踪的发射光子和最终计算其光变曲线和光谱。然后将我们的模拟X射线信号与四个目标天体的一组非常精确的NICER观测结果进行比较：PSR J 0437 -4715、PSR J1231-1411、PSR J2124-3358和PSR J 0030 +0451。我们发现很好的同时适合所有这些恒星的光变曲线和光谱分布。磁层是通过执行广义相对论的无力模拟的旋转中子星（NS）赋予一个简单的中心偶极磁场，许多不同的恒星的紧凑性和脉冲星错位。从这些解决方案中，我们得到了一个发射率地图的表面上的恒星，这是基于磁层中的电流。特别是，在这个模型中的发射区（ER）确定的类空四电流，达到NS。我们表明，这种假设，加上列入引力曲率的无力模拟，导致非标准的ER面对的封闭区的脉冲星，除了其他ER内的极冠。来自这两种ER的组合X射线信号（都是对映的）允许近似在所有目标MSP光变曲线中发现的非平凡脉冲间。
2022-09-23 astro-ph.HE gr-qc
Magrathea-Pathfinder: A 3D adaptive-mesh code for geodesic ray tracing in $N$-body simulations
Magrathea-Pathfinder是一个三维自适应网格光线追踪代码，通过零测地线方程重建N体模拟中的过去光锥，以弱场极限为唯一近似，实现高精度宇宙学观测量的计算。
2025-01-23 astro-ph.CO gr-qc
TARTARUS: A High-Performance Python Code for Ray Tracing in Curved Spacetimes
Observatorio Astronómico Nacional, Universidad Nacional de Colombia（哥伦比亚国家天文台，哥伦比亚国立大学）
针对EHT观测需求，提出高性能Python光线追踪框架TARTARUS，利用Numba JIT编译加速，支持多种求解器与事件检测，验证了Kerr黑洞阴影和吸积盘模拟的准确性。
2026-09-09 astro-ph.IM gr-qc
Pinpointing the base of the AGN jets through general relativistic X-ray reverberation studies
活动星系核的许多理论模型都预言，位于黑洞上方的X射线日冕构成了X射线喷流的基底。因此，通过研究近距离黑洞环境的精确几何形状，我们可以精确定位喷流的发射地点。探测到负的X射线混响时间延迟（即软带X射线变化滞后于相应的硬带X射线变化）可以产生关于活动星系核几何性质的重要信息，例如X射线源的位置，以及黑洞的物理性质，例如它的质量和自旋。在灯柱几何的框架下，我提出了第一个系统的X射线时滞模拟结果的12个活动星系核的合奏，使用完全广义相对论（GR）射线追迹方法的系统的响应函数的估计。通过结合这些国家的最先进的GR响应模型与统计创新的拟合例程，我推导出的几何布局的封闭BH环境中的每个源，揭示的AGN喷气基地的位置。
2014-11-03 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Numerical solutions to Einstein's equations in a shearing-dust Universe: a code comparison
近年来，人们开发了一系列用于宇宙结构形成的广义相对论模拟程序。在这里，我们表明，这些代码的一个样本产生一致的结果超出牛顿政权。我们模拟了引力磁场主导的爱因斯坦方程的解--引力磁场是一种矢量型的引力场，在牛顿引力中不存在，它会产生框架拖曳，即领先阶的后牛顿效应。我们通过在每个独立的代码中执行射线追踪来计算坐标不变对相交零测地线的影响。有了这个可观测的量，我们评估和比较每个代码的能力，计算相对论效应。
2020-05-19 astro-ph.CO gr-qc
Accelerating Black Hole Image Generation via Latent Space Diffusion Models
Hunan Normal University（湖南师范大学）；Lanzhou University（兰州大学）
本文提出一种基于潜在空间的扩散模型，通过物理条件生成高保真黑洞图像，显著提升生成效率和图像质量，减少计算成本四倍以上。
2026-03-13 astro-ph.HE astro-ph.IM gr-qc
Coport: A New Public Code for Polarized Radiative Transfer in a Covariant Framework$^\spadesuit$
本研究推出公开代码Coport，采用Julia编写，可直接在弯曲时空中求解耦合协变偏振辐射传输方程，无需拆分时空与等离子体传播计算，支持HARM结果可视化，经多方法验证具备更高精度与效率。
2024-11-03 astro-ph.HE astro-ph.IM gr-qc
Images of Kerr-MOG black holes surrounded by geometrically thick magnetized equilibrium tori
本研究利用广义相对论光线追踪方案研究被厚磁化平衡环面环绕的Kerr-MOG黑洞图像，发现MOG参数会缩小吸积盘尺寸、提升图像流量与亮度，结合EHT的M87*观测数据约束黑洞参数，发现该参数拓宽了黑洞自旋的允许范围。
2024-08-30 astro-ph.GA gr-qc
General relativistic modelling of the negative reverberation X-ray time delays in AGN
我们提出了第一个系统的物理模拟的时滞谱之间的软（0.3-1 keV）和硬（1.5-4 keV）X射线的能量带，作为傅立叶频率的函数，在一个样本的12个活动星系核已被观测到的XMM-牛顿。我们特别关注负的X射线时间滞后（通常在$10^{-4}$ Hz以上看到），即软带变化滞后于硬带变化，并且我们假设它们是由灯柱X射线源几何结构内的吸积盘的再处理和反射产生的。我们还假设，吸积盘的响应，在软X射线波段，是充分描述的中性铁线（Fe k $α$）在6.4千电子伏的响应，我们使用完全广义相对论射线追踪模拟，以确定其时间演变。这些响应函数，从而相应的时滞谱，产生更现实的结果比常用的，但错误的，礼帽模型。此外，我们通过幂律来参数化时滞谱的正部分（通常在$10^{-4}$ Hz以下看到）。我们发现，最佳拟合BH质量，M，同意相当不错，与其他方法得到的，从而为我们提供了一个新的工具BH质量测定。我们发现没有证据表明M与BH自旋参数$α$、视角$θ$或盘上方X射线源高度$h$之间存在任何相关性。平均而言，X射线源仅位于吸积盘上方约3.7个引力半径处，视角均匀分布在20度至60度之间。最后，有一个试探性的迹象表明，自旋参数的分布可能是双峰高于和低于0.62。
2014-02-04 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
A geometrical-optics analogy for gravitational lensing using axicon-type lenses
Institut für Astronomie und Astrophysik, Eberhard Karls Universität Tübingen（蒂宾根大学天文与天体物理研究所）；Department of Optics, Faculty of Physical Sciences, Universidad Complutense de Madrid（马德里康普顿斯大学物理科学学院光学系）
本文提出一种利用轴锥透镜的几何光学类比模型，用于教学和计算，可生成类引力透镜的图像形态，探究表面几何与对称性对光线偏转及图像的影响。
2026-08-04 gr-qc physics.ed-ph
