M87 Lỗ đen. Tại sao chúng ta có thể nhìn thấy màu đen?

Vì vậy, như tiêu đề, tại sao chúng ta có thể thực sự nhìn thấy "màu đen" của lỗ đen? Tôi hiểu rằng những gì chúng ta đang thực sự nhìn thấy là chân trời sự kiện, hoặc đĩa bồi tụ. Nhưng điều này không nên kéo dài tất cả các cách? Chắc chắn lỗ đen không phải là vật 2D nên chúng ta có thể "nhìn vào từ trên cao" (tôi sử dụng thuật ngữ đó một cách lỏng lẻo vì rõ ràng không có hướng trong không gian!), Vậy tại sao chúng ta có thể thực sự nhìn thấy màu đen?

Điều duy nhất tôi có thể nghĩ là một lỗ đen, giống như hệ mặt trời của chúng ta có một dạng nhật thực, phần lớn vật chất đang quay quanh, và ở mọi nơi khác không có đủ vật chất để ánh sáng có thể nhìn thấy được, đại loại như tại sao chúng ta không thể nhìn thấy đám mây Oort.

Tôi hy vọng điều đó có ý nghĩa, và tôi có thể thoát ra được, nhưng đó là điều duy nhất tôi có thể nghĩ ra để giải thích nó. Nếu đó là trường hợp, thì chúng ta sẽ có thể có được một hình ảnh tương tự của Nhân Mã A, khi chúng ta có thể ở trong "nhật thực" này, vì vậy chắc chắn chúng ta chỉ có thể nhìn thấy vật chất nóng xung quanh chân trời sự kiện và không phải là màu đen?

Câu trả lời của Rob Jeffries là tuyệt vời, tôi chỉ muốn thêm hình ảnh này để cố gắng giải thích hình học. Ở đây, tôi giả sử một lỗ đen không quay (BH); đối với BH quay, các số chính xác hơi khác nhau.

Quả cầu photon

$r = 2GM/c^2 \equiv r_\mathrm{S}$$r = 1.5r_\mathrm{S}$

Quỹ đạo ổn định trong cùng và đĩa bồi tụ

$r=3r_\mathrm{S}$

$\sqrt{27/4}r_\mathrm{S} \simeq 2.6r_\mathrm{S}$

Cái bóng

$2.6r_\mathrm{S}$chấm dứt tại vòng tròn EH nhiều lần, quả cầu quang học đó thực sự là những con đường rất dài xuyên qua vật chất chiếu ánh sáng cuối cùng của nó trước khi bị nhấn chìm, và do đó chúng trông cực kỳ sáng (ví dụ: Kính viễn vọng chân trời sự kiện cộng tác (2019b) ). Vòng sáng này ngay bên ngoài bóng được gọi là vòng photon hay vòng phát xạ .

Bản vẽ

Bản vẽ dưới đây có thể giúp hiểu. Tất cả các đường màu đỏ là tầm nhìn về phía BH. Chỉ có cái trên cùng mới chỉ sượt qua quả cầu photon (và vật chất phát sáng phía sau). Phần còn lại chấm dứt tại EH, và do đó trông có màu đen (ngoại trừ vật chất phát sáng ở phía trước). Gần trung tâm, bạn thấy mặt trước của EH; xa hơn bạn thực sự nhìn thấy mặt sau của EH; thậm chí xa hơn nữa bạn lại thấy mặt trước của EH, và cứ thế tiếp tục quảng cáo cho đến khi bạn đạt đến vòng photon.

Sự quan sát

$\sim25$

$^\dagger$

Hình dưới đây (từ Sự kiện Hợp tác Kính viễn vọng Chân trời và các cộng sự (2019b) ) cho thấy, từ trái sang phải, quan sát thực tế, một mô hình mà bạn nhìn thấy vòng photon khá sắc nét và mô hình này mờ đi để phù hợp với độ phân giải của quan sát.

$^\dagger$

Bạn phải suy nghĩ về cách ánh sáng sẽ đến với bạn từ nơi nó được tạo ra gần với chân trời sự kiện lỗ đen. Ánh sáng tạo ra giữa bạn và lỗ đen có thể đến với bạn. Ánh sáng được tạo ra ngay sau lỗ đen không thể đến với bạn (hoặc ít nhất là nó không đến với bạn từ hướng đó). Ánh sáng được tạo ra ở các vị trí khác có thể đến với bạn thông qua các tuyến đường khác nhau, một trong số đó là quay quanh lỗ đen và sau đó đi về hướng của bạn.

Do đó, có sự tập trung của ánh sáng quan sát vào một vòng rõ ràng xung quanh lỗ đen và một vòng tròn tối (er) bên trong nó đánh dấu vùng mà ánh sáng không thể truyền trực tiếp đến bạn, mà thay vào đó rơi vào màu đen lỗ hoặc vòng quanh nó. Sự không đối xứng trong "vòng" photon sẽ được gây ra bởi chuyển động quỹ đạo tương đối tính của vật liệu có tác dụng tăng phát xạ theo hướng thuận và cũng là "kéo khung" gây ra bởi chuyển động của lỗ đen (đó là lý do tại sao bóng đổ "ngoài trung tâm").

Một mô tả khá hàn lâm về hiện tượng này được đưa ra bởi Falcke et al. (2000) và Huang và cộng sự. (2007) .

Bạn có thể quan sát ảnh hưởng của "đổ bóng" cho cả hố đen Kerr và Schwarzschild tại trang web này .

Ánh sáng đường dẫn ở gần một lỗ đen không giống với những gì nó có trong không gian trống. Về cơ bản chúng ta đang nhìn thấy "cái bóng" của lỗ đen. Phần lớn ánh sáng mà chúng ta mong đợi sẽ chiếu về phía chúng ta từ hướng cụ thể đó đã bị chuyển hướng sang nơi khác bởi lực hấp dẫn của lỗ.

Lỗ đen này có một đĩa bồi tụ, là một đĩa vật chất quay xung quanh lỗ đen với tốc độ cực cao, khiến nó nóng lên. Màu cam bạn nhìn thấy trong hình là vấn đề đó. Vấn đề có vẻ "dày hơn" ở một bên vì đáy đĩa hơi nghiêng về phía chúng tôi. "Bóng tối" mà bạn nhìn thấy chỉ đơn giản là chân trời sự kiện ngăn ánh sáng từ khu vực đó thoát ra.