Perché ci sono aree luminose irregolari in questa foto del buco nero?

Nella foto recentemente rilasciata di un buco nero mostrato sopra, che è stato creato utilizzando i dati di EHT, perché la regione inferiore è più luminosa di quella sopra? È a causa della rotazione del disco di accrescimento? Inoltre, qual è l'orientamento del disco di accrescimento? Lo stiamo guardando a testa alta?

No, non vedi la forma del disco di accrescimento. Sebbene il suo piano sia quasi quello dell'immagine, è molto più grande e più debole dell'anello che si vede. La ragione di questa asimmetria è quasi interamente dovuta al raggio Doppler e all'aumento delle radiazioni che si verificano nella materia che viaggia a velocità relativistiche molto vicine al buco nero. Questo a sua volta è quasi interamente controllato dall'orientamento della rotazione del buco nero . Il buco nero raccoglie materiali e campi magnetici quasi indipendentemente dall'orientamento di qualsiasi disco di accrescimento.

Le immagini sottostanti dal documento del quinto orizzonte del telescopio dell'orizzonte chiariscono le cose.

La freccia nera indica la direzione della rotazione del buco nero. La freccia blu indica la rotazione iniziale del flusso di accrescimento. Il getto di M87 è più o meno Est-Ovest (proiettato sulla pagina), ma il lato destro punta verso la Terra. Si presume che il vettore di rotazione del buco nero sia allineato (o anti-allineato) con questo.

I due grafici a sinistra mostrano un accordo con le osservazioni. Ciò che hanno in comune è che il vettore di rotazione del buco nero si trova principalmente nella pagina (anti-allineato con il getto). Il gas è costretto a ruotare allo stesso modo e provoca un movimento relativistico proiettato verso di noi a sud del buco nero e lontano da noi a nord del buco nero. Il potenziamento e il raggiante Doppler fanno il resto.

Come dice il documento:

la posizione del flusso di picco nell'anello è controllata dalla rotazione del buco nero: si trova sempre a circa 90 gradi in senso antiorario dalla proiezione del vettore di rotazione sul cielo.

Ci sono alcune informazioni recenti che sono degne di un aggiornamento alla risposta (nonostante la difficoltà di digitare MathJax sul mio telefono). Ho citato minimamente poiché non avrei migliorato ciò che questi scienziati hanno pubblicato. Le modifiche precedenti rimangono al di sotto di questa aggiunta.

Nel documento " Misurazione della rotazione del buco nero M87 dalla sua luce attorcigliata osservata " (16 aprile 2019) di Fabrizio Tamburini, Bo Thidé e Massimo Della Valle, spiegano a pagina 2:

... Le tecniche di imaging applicate a questo set di dati rivelano la presenza di un anello asimmetrico con rotazione in senso orario e una struttura geometrica "a mezzaluna" che mostra una chiara depressione della luminosità centrale. Ciò indica una fonte dominata dall'emissione con lente che circonda l'ombra del buco nero.

Dall'analisi dei due set di dati otteniamo i parametri di asimmetria $q_1$ = 1.417 per l'epoca 1 e $q_2$ = 1.369 per l'epoca 2. Danno un'asimmetria media nello spettro a spirale di $\bar{q}$ = 1.393 ± 0.024 in accordo con quello di le nostre simulazioni numeriche, $q_{num}$ = 1.375, di luce parzialmente incoerente emessa dall'anello di Einstein di un buco nero di Kerr con $\boldsymbol{a} \textbf{~}\!$ 0,9 ± 0,1 , corrispondente a un'energia di rotazione [ 10 ] di 10 64$^{[10]}$$\textbf{10}{^\textbf{64}}\!$ erg , che è paragonabile all'energia irradiata dai quasar più luminosi (~ 500 trilioni $\odot$ ) su una scala cronologica di Gyr (miliardi di anni) e inclinazione $i$ = 17 ° tra il getto in avvicinamento e la linea di vista, con il momento angolare del flusso di accrescimento e del buco nero anti-allineati, che mostrano una rotazione in senso orario come descritto nel Rif. 5.

Questo risultato è in buon accordo con i risultati dell'analisi delle immagini di pipeline fiduciali di ampiezza e grafici di fase per l'11 aprile 2017 di DIFMAP con $q$ = 1.401, EHT $q$ = 1.361 e SMILI, $q$ = 1.319, [ 6 ], dando per questo giorno un valore medio ˉ q = 1.360 che si discosta di 0,09 dal valore di epoca 2 stimato con TIE e q > 0 confermano la rotazione in senso orario. Gli spettri a spirale sono riportati in Fig. 2.$^{[6]}$$\bar{q}$$q$

Quindi si determina il parametro di rotazione $a$ confrontando quelli ottenuti da un'interpolazione lineare con il parametro di asimmetria $q$ di vari modelli, come riportato nell'esempio numerico della tabella I per diversi valori di inclinazione e parametri di rotazione $i$ e $q$ . I risultati sono illustrati in Fig. 1.

[1]Fabrizio Tamburini, Bo Thidé, Gabriel Molina-Terriza e Gabriele Anzolin, "Torsione della luce attorno ai buchi neri rotanti", Nature Phys. 7, 195-197 (2011).
[4]EHT Collaboration et al., "Imaging del buco nero supermassiccio centrale", Astrophys. J. Lett. 875, L4 (52) (2019), First M87 Event Horizon Telescope Results IV.
[5]EHT Collaboration et al., "Origine fisica dell'anello asimmetrico", Astrophys. J. Lett. 875, L5 (31) (2019), First M87 Event Horizon Telescope Results V.
[6]EHT Collaboration et al., "L'ombra e la massa del buco nero centrale", Astrophys. J. Lett. 875, L6 (44) (2019), First M87 Event Horizon Telescope Results VI.
[10]Demetrios Christodoulou e Remo Ruffini, "Trasformazioni reversibili di un buco nero carico", Phys. Rev. D 4, 3552–3555 (1971).
[29]Bin Chen, Ronald Kantowski, Xinyu Dai, Eddie Baron e Prasad Maddumage, "Algoritmi e programmi per lenti gravitazionali forti nello spazio-tempo di Kerr, inclusa la polarizzazione", Astrophys. J. Suppl. Ser. 218, 4 (2015).

figure:

$m$$m$$a$$R_g$$T$$^9$$^{[6]}$$x$$y$$^{[1]}$

$^{[4]}$$m$$m$$q$$i$$i$$^{[29]}$$z$$m$$m$$_\text{SMILI}$$_\text{EHT}$$_\text{DIFMAP}$$_\text{KERTAP}$$_\text{ep1}$$_\text{ep2}$$q$ è ben conservato, il metodo TIE può essere migliorato mediante acquisizioni di dati consecutivi del fronte d'onda, separati da un intervallo di tempo molto più breve di un giorno e potrebbe quindi fornire migliori informazioni sull'emissione della fonte.

Quel documento contiene molte ulteriori informazioni e illustrazioni che vale la pena rivedere. Grazie Jack R. Woods per il link che mi ha portato alle informazioni di cui sopra.

Modifica precedente :

Nel documento: " First M87 Event Horizon Telescope Results. V. Physical Origin of the Asymmetric Ring ", (10 apr 2019), di The Event Horizon Telescope Collaboration, Kazunori Akiyama, Antxon Alberdi, Walter Alef, Keiichi Asada, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, David Ball, Mislav Baloković, John Barrett, et al., In uno dei numerosi articoli recentemente pubblicati, spiegano:

$\mathrm{PA}\approx 288^\circ ;$${\mathrm{PA}}_{\mathrm{FJ}}$

La figura 5 di quel documento è inclusa nella risposta di Rob Jeffries.

La conclusione che raggiungono, in parte, è:

${r}_{{\rm{g}}}$di un buco nero di Kerr e che la struttura ad anello dell'immagine è generata da una forte lente gravitazionale e da un fascio Doppler. I modelli prevedono che l'asimmetria dell'immagine dipende dal senso di rotazione del buco nero. Se questa interpretazione è accurata, il vettore di rotazione del buco nero in M87 punta lontano dalla Terra (il buco nero ruota in senso orario sul cielo). I modelli prevedono anche che esiste un forte flusso di energia diretto lontano dai poli del buco nero e che questo flusso di energia è dominato elettromagneticamente. Se i modelli sono corretti, il motore centrale del jet M87 è alimentato dall'estrazione elettromagnetica di energia libera associata alla rotazione del buco nero attraverso il processo di Blandford – Znajek. ".

Prima bozza :

L'articolo: " Instabilità dell'Ergoregione di oggetti esotici compatti: perturbazioni elettromagnetiche e gravitazionali e ruolo dell'assorbimento ", (15 febbraio 2019), di Elisa Maggio, Vitor Cardoso, Sam R. Dolan e Paolo Pani spiega che ciò è dovuto alla rotazione superradianza a pagina 10:

$^{[43]}$
[43]

Nell'articolo " Superradiance ", (sopra) mentre è considerevolmente più lungo, forse molto più accessibile. A pagina 38, dove spiegano il processo Penrose , offrono un diagramma che probabilmente facilita la comprensione di questo:

$_0$$_2$$_1$$_0$

Da pagina 41:

"Figura 8: l'analogia della giostra del processo Penrose. Un corpo cade quasi da riposo in un cilindro rotante, la cui superficie viene spruzzata con colla. Alla superficie il corpo è costretto a co-ruotare con il cilindro (analogo quindi del BH ergosfera, la superficie oltre la quale nessun osservatore può rimanere fermo rispetto all'infinito). Gli stati di energia negativa dell'ergoregione sono giocati dall'energia potenziale associata alla superficie appiccicosa. Se ora metà dell'oggetto (in rossastro) è staccato dal primo mezzo (giallastro), raggiungerà l'infinito con più energia (cinetica) di quella che aveva inizialmente, estraendo energia rotazionale dal sistema ".

Un ulteriore modello più complicato, ritenuto oltre ciò che è stato chiesto, da pagina 46:

$^r _1$$^r_2$$^{[168, 169, 170, 171]}$$^r_1$$^r_2$$^r_1$$^{[172, 173]}$

[168]T. Piran e J. Shaham, "Limiti superiori nei processi di penrose collisionale vicino agli orizzonti rotanti del buco nero", Phys.Rev. D16 (1977) 1615-1635.

[169]T. Harada, H. Nemoto e U. Miyamoto, "Limiti superiori dell'emissione di particelle da collisione e reazione ad alta energia vicino ad un buco nero di Kerr che ruota al massimo", Phys.Rev. D86 (2012) 024027, arXiv: 1205.7088 [gr-qc].

[170]M. Bejger, T. Piran, M. Abramowicz e F. Hakanson, "Processo di Penrose collisionale vicino all'orizzonte dei buchi neri estremi di Kerr", Phys.Rev.Lett. 109 (2012) 121101, arXiv: 1205.4350 [astro-ph.HE].

[171]O. Zaslavskii, "Sull'energetica delle collisioni di particelle vicino ai buchi neri: effetto BSW contro il processo Penrose", Phys.Rev. D86 (2012) 084030, arXiv: 1205.4410 [gr-qc].

[172] JD Schnittman, "Un limite superiore rivisto all'estrazione di energia da un buco nero di Kerr", arXiv: 1410.6446 [astro-ph.HE].

[173] E. Berti, R. Brito e V. Cardoso, "Detriti ad altissima energia dal processo Penrose collisionale", arXiv: 1410.8534 [gr-qc].

C'è un riassunto a pagina 170 (da nessuna parte vicino alla fine del documento) che spiega:

"Nelle teorie gravitazionali, la superradianza è intimamente connessa all'accelerazione delle maree, anche a livello newtoniano. Le teorie gravitazionali relativistiche prevedono l'esistenza di BH, soluzioni di vuoto gravitazionale il cui orizzonte degli eventi si comporta come una membrana viscosa unidirezionale. e per estrarre energia dal vuoto anche a livello classico. Quando si prendono in considerazione gli effetti semiclassici, la superradianza si verifica anche in configurazioni statiche, come nel caso della radiazione Hawking da un B di Schwarzschild.

L'efficienza dello scattering superradiante di GW da parte di un BH rotante (Kerr) può essere maggiore del 100% e questo fenomeno è profondamente collegato ad altri importanti meccanismi associati alla rotazione di oggetti compatti, come il processo Penrose, l'instabilità dell'ergoregione, il Blandford-Znajek effetto e l'instabilità del CFS. La superradianza rotazionale potrebbe essere difficile da osservare in laboratorio, ma la sua controparte BH è associata a una serie di effetti e instabilità interessanti, che possono lasciare un'impronta osservativa. Abbiamo presentato un trattamento unificato dei fenomeni superradianti di BH inclusi BH carichi, dimensioni superiori, tempi spaziali non asintoticamente piatti, modelli analogici di gravità e teorie oltre il GR. ".

Credo che stiamo vedendo uno degli effetti del disco di accrescimento che ruota a velocità molto elevate. Questo è chiamato raggio relativistico , e si verifica perché le particelle (in questo caso contano nel disco di accrescimento) che viaggiano a velocità relativistiche (diciamo, verso l'alto di 0,22 c), tendono a emettere preferenzialmente la loro radiazione in un cono verso la direzione del movimento .

Ciò suggerisce che la materia nella parte inferiore dell'immagine (le macchie più luminose) sta viaggiando verso di noi e le parti più scure stanno viaggiando via. Poiché il buco nero tende a deformare la luce su se stesso, non sono sicuro dalla foto dell'orientamento del disco di accrescimento.