M87 Buco nero. Perché possiamo vedere l'oscurità?

Quindi, come afferma il titolo, perché siamo effettivamente in grado di vedere la "oscurità" del buco nero? Capisco che quello che stiamo effettivamente vedendo è l'orizzonte degli eventi o il disco di accrescimento. Ma questo non dovrebbe estendersi fino in fondo? Sicuramente il buco nero non è una cosa in 2D, quindi possiamo "guardarlo dall'alto" (io uso quel termine vagamente perché ovviamente non ci sono direzioni nello spazio!), Quindi perché siamo in grado di vedere effettivamente l'oscurità?

L'unica cosa a cui riesco a pensare è che un buco nero, proprio come il nostro sistema solare ha una sorta di eclittica, che la stragrande maggioranza della materia è in orbita, e ovunque altro non ha abbastanza materia per rendere visibile la luce, un po 'come perché non siamo in grado di vedere il cloud Oort.

Spero che abbia un senso, e potrei essere molto lontano, ma è l'unica cosa che mi viene in mente di spiegarlo. Se così fosse, saremmo in grado di ottenere un'immagine simile del Sagittario A, visto che potremmo essere in questa "eclittica" di esso, quindi sicuramente potremmo solo vedere la materia accesa attorno all'orizzonte degli eventi e non l'oscurità?

La risposta di Rob Jeffries è eccellente, volevo solo aggiungere questa immagine cercando di spiegare la geometria. Qui, presumo un buco nero non rotante (BH); per un BH rotante i numeri esatti sono leggermente diversi.

La sfera del fotone

I fotoni si muovono su linee rette, ma nello spazio fortemente curvo attorno a un BH queste linee rette appaiono curve. Anche se l'orizzonte degli eventi (EH) a distanza di$r = 2GM/c^2 \equiv r_\mathrm{S}$(il raggio di Schwarzschild ) dal BH segna la regione dalla quale nessun fotone può sfuggire se emesso radialmente , i fotoni sull'orbita parzialmente tangenziale torneranno a una distanza di$r = 1.5r_\mathrm{S}$, dove i fotoni che viaggiano completamente tangenzialmente rimarranno sulla sfera del fotone (sebbene questa sia un'orbita instabile).

L'orbita più interna e il disco di accrescimento

La materia ordinaria si espanderà verso l'interno fino a due volte questa distanza; quindi, all'interno dell'orbita circolare più interna più stabile (ISCO) a$r=3r_\mathrm{S}$, la materia è praticamente destinata ad essere assorbita. Al di fuori di questa regione la materia può orbitare, formando il disco di accrescimento , ma poiché l'attrito tra le particelle li farà perdere energia, si avvicineranno lentamente all'ISCO, dopo di che cadranno rapidamente nel BH. Si noti che l'M87 BH non ha un disco di accrescimento sottile come quello rappresentato nel film Interstellar ; piuttosto una "nuvola" spessa che circonda la maggior parte del BH.

I fotoni emessi tangenzialmente appena al di fuori della sfera del fotone ruoteranno a spirale attorno al BH molte volte, aumentando lentamente la loro distanza, fino a quando alla fine non fuggiranno a una distanza proiettata di$\sqrt{27/4}r_\mathrm{S} \simeq 2.6r_\mathrm{S}$dal BH (ad es. Frolov e Novikov 1998 ).

L'ombra

Proprio come il percorso dei raggi di luce è curvo attorno al BH, così sono le linee di vista da te verso il BH (puoi pensare alle linee di vista come fotoni invertiti). Ciò significa che tutte le linee di vista più vicine di (una distanza prevista di)$2.6r_\mathrm{S}$alla BH, alla fine, finirà sulla EH, anche se prendendo diverse orbite attorno alla BH. Queste linee di vista comprendono la cosiddetta ombra ( Falcke et al. (2000) ; Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019a) ,). D'altra parte, lungo linee di vista più lontane, si vede la radiazione emessa dalla materia cadere nel BH, sia davanti che dietro il BH. E poiché le prime linee di vista che non terminano molte volte sul cerchio EH della sfera del fotone, quelle linee di vista sono in realtà percorsi molto lunghi attraverso la materia che risplende della sua ultima luce prima di essere inghiottiti, e quindi sembrano eccezionalmente luminosi (ad es. Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b)). Questo anello luminoso appena fuori dall'ombra è chiamato l' anello fotonico o l' anello di emissione .

Il disegno

Il disegno seguente può aiutare a capire. Tutte le linee rosse sono linee di vista verso il BH. Solo quello più in alto sfiora solo la sfera del fotone (e la materia luminosa dietro). Il resto termina in EH e quindi sembra nero (tranne per la materia luminosa di fronte). Vicino al centro, vedi la parte anteriore dell'EH; più lontano in realtà vedi il retro dell'EH; ancora più lontano vedi di nuovo la parte anteriore dell'EH, e così via all'infinito fino a raggiungere l'anello fotonico.

L'osservazione

Nonostante la risoluzione osservativa sia sorprendente $\sim25$micro-secondi d'arco, l'anello del fotone viene spalmato su una regione più grande, risultando nella forma a ciambella che hai visto. Cioè, ciò che vedi in quell'immagine non è "l'EH di fronte a un disco di accrescimento", ma piuttosto "l'EH visto da tutti i lati contemporaneamente e ingrandito, con la luce emessa dall'anello dei fotoni".

A meno che il disco di accrescimento non venga visualizzato esattamente a faccia in su, metà del disco di accrescimento$^\dagger$ha una componente di velocità verso di te, rendendola più luminosa dell'altra metà attraverso uno speciale effetto relativistico chiamato raggiante . Questo è visto nella parte meridionale dell'M87 BH.

La figura seguente (da Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ) mostra, da sinistra a destra, l'osservazione effettiva, un modello in cui si vede l'anello fotonico piuttosto nitido, e questo modello è sfocato per adattarsi alla risoluzione dell'osservazione.

$^\dagger$_{Almeno il materiale appena prima si immerge nel BH, che segue la rotazione del BH. Più lontano, il resto del disco di accrescimento può in linea di principio ruotare dall'altra parte.}

Devi pensare a come la luce ti arriverà da dove viene prodotta vicino all'orizzonte degli eventi del buco nero. La luce prodotta tra te e il buco nero può arrivare a te. La luce prodotta immediatamente dietro il buco nero non può arrivare a te (o almeno non proviene da quella direzione). La luce prodotta in altre posizioni può arrivare a te attraverso vari percorsi, uno dei quali è quello di orbitare attorno al buco nero e quindi dirigersi nella tua direzione.

Di conseguenza c'è una concentrazione della luce osservata in un anello apparente attorno al buco nero e un cerchio scuro (er) al suo interno che segna la regione da cui la luce non può viaggiare direttamente verso di te, ma cade invece nel nero buco o anelli attorno ad esso. Le asimmetrie nell'anello "fotonico" saranno causate dal movimento orbitale relativistico del materiale che ha l'effetto di aumentare l'emissione nella direzione in avanti e anche dal "trascinamento del telaio" causato dalla rotazione del buco nero (motivo per cui l'ombra è "fuori centro").

Una descrizione piuttosto accademica del fenomeno è data da Falcke et al. (2000) e Huang et al. (2007) .

In questo sito Web è possibile osservare gli effetti di "ombreggiamento" per entrambi i buchi neri di Kerr e Schwarzschild .

I percorsi che la luce intraprende vicino a un buco nero non sono niente come quelli che percorre nello spazio vuoto. Fondamentalmente stiamo vedendo l '"ombra" del buco nero. Gran parte della luce che ci aspetteremmo di venire verso di noi da quella particolare direzione è stata deviata altrove dalla gravità del buco.

Questo buco nero ha un disco di accrescimento, che è un disco di materia che ruota attorno al buco nero a velocità estreme, facendolo surriscaldare. Il colore arancione che vedi nella foto è importante. La questione sembra "più spessa" da un lato perché la parte inferiore del disco è leggermente inclinata verso di noi. L '"oscurità" che vedi è semplicemente l'orizzonte degli eventi che impedisce alla luce di quella regione di sfuggire.