Tại sao có những vùng sáng không đồng đều trong bức ảnh của hố đen này?

Trong bức ảnh được phát hành gần đây về một lỗ đen được hiển thị ở trên, được tạo ra bằng cách sử dụng dữ liệu từ EHT, tại sao vùng dưới lại sáng hơn vùng trên? Có phải vì sự quay của đĩa bồi tụ? Ngoài ra định hướng của đĩa bồi tụ là gì? Có phải chúng ta đang nhìn vào nó?

Không, bạn không thấy hình dạng của đĩa bồi tụ. Mặc dù mặt phẳng của nó gần như là của bức tranh, nó lớn hơn và mờ hơn nhiều so với chiếc nhẫn được nhìn thấy. Lý do cho sự bất đối xứng này gần như hoàn toàn là do sự chiếu tia Doppler và tăng cường bức xạ phát sinh trong vật chất di chuyển ở tốc độ tương đối rất gần với lỗ đen. Điều này đến lượt nó gần như hoàn toàn được kiểm soát bởi sự định hướng của vòng quay lỗ đen . Lỗ đen quét lên các vật liệu và từ trường gần như không phụ thuộc vào hướng của bất kỳ đĩa bồi tụ nào.

Những hình ảnh dưới đây từ giấy kính viễn vọng chân trời thứ năm làm cho mọi thứ rõ ràng.

Mũi tên đen chỉ hướng quay của lỗ đen. Mũi tên màu xanh biểu thị vòng quay ban đầu của dòng chảy bồi tụ. Máy bay phản lực của M87 ít nhiều là Đông-Tây (được chiếu lên trang), nhưng phía bên tay phải đang hướng về Trái đất. Giả định rằng vectơ quay của lỗ đen được căn chỉnh (hoặc chống liên kết) với điều này.

Hai lô bên tay trái cho thấy sự đồng ý với các quan sát. Điểm chung của họ là vectơ quay lỗ đen chủ yếu vào trang (chống liên kết với máy bay phản lực). Khí bị buộc phải quay theo cùng một cách và dẫn đến chuyển động tương đối dự phóng về phía chúng ta phía nam của lỗ đen và cách xa chúng ta về phía bắc của lỗ đen. Doppler tăng cường và rạng rỡ làm phần còn lại.

Như bài báo nói:

vị trí của từ thông cực đại trong vòng được điều khiển bởi vòng quay của lỗ đen: nó luôn nằm khoảng 90 độ ngược chiều kim đồng hồ so với hình chiếu của vectơ quay tròn trên bầu trời.

Có một số thông tin gần đây xứng đáng để cập nhật câu trả lời (mặc dù khó nhập MathJax trên điện thoại của tôi). Tôi đã trích dẫn tối thiểu vì tôi sẽ không cải thiện những gì các nhà khoa học đã công bố. Chỉnh sửa trước vẫn còn bên dưới bổ sung này.

Trong bài báo " Đo vòng quay của lỗ đen M87 từ ánh sáng xoắn được quan sát của nó " (ngày 16 tháng 4 năm 2019) của Fabrizio Tamburini, Bo Thidé và Massimo Della Valle, họ giải thích trên trang 2:

... Các kỹ thuật hình ảnh được áp dụng cho bộ dữ liệu này cho thấy sự hiện diện của một vòng không đối xứng với xoay theo chiều kim đồng hồ và cấu trúc hình học hình lưỡi liềm có biểu hiện suy giảm độ sáng trung tâm rõ ràng. Điều này cho thấy một nguồn bị chi phối bởi phát xạ thấu kính bao quanh bóng đen.

Từ việc phân tích hai bộ dữ liệu, chúng tôi thu được các tham số bất đối xứng = cho epoch 1 và = 1.369 cho epoch 2. Chúng đưa ra sự bất đối xứng trung bình trong phổ xoắn ốc của = 1.393 ± 0.024 phù hợp với điều đó trong số các mô phỏng số của chúng tôi, = 1.375, ánh sáng không liên tục một phần phát ra từ vòng Einstein của lỗ đen Kerr với0,9 ± 0,1 , tương ứng với năng lượng quay củaerg , tương đương với năng lượng tỏa ra từ các quasar sáng nhất (~ 500 nghìn tỷ$q_1$$q_2$$\bar{q}$$q_{num}$$\boldsymbol{a} \textbf{~}\!$ $^{[10]}$$\textbf{10}{^\textbf{64}}\!$ $\odot$) trong một khoảng thời gian Gyr (tỷ năm) và độ nghiêng = 17 ° giữa phản lực tiếp cận và đường ngắm, với mô men góc của dòng chảy bồi và lỗ đen thẳng hàng, cho thấy xoay theo chiều kim đồng hồ như được mô tả trong Ref . 5.$i$

Kết quả này phù hợp với kết quả từ phân tích hình ảnh đường ống của biên độ và đồ thị pha cho ngày 11 tháng 4 năm 2017 của DIFMAP với = 1.401, EHT = 1.361 và SMILI, = 1.319 , đưa ra cho ngày hôm đó một giá trị trung bình = 1.360 sai lệch 0,09 so với giá trị epoch 2 ước tính với TIE và > 0 xác nhận xoay theo chiều kim đồng hồ. Phổ xoắn ốc được báo cáo trong Hình 2.$q$$q$$q$$^{[6]}$$\bar{q}$$q$

Sau đó, người ta xác định tham số xoay bằng cách so sánh các tham số thu được bằng phép nội suy tuyến tính với tham số bất đối xứng của các mô hình khác nhau, như được báo cáo trong ví dụ bằng số của Bảng I cho các giá trị khác nhau của các tham số nghiêng và xoay và . Các kết quả được mô tả trong hình. 1.$a$$q$$i$$q$

[1]Fabrizio Tamburini, Bo Thidé, Gabriel Molina-Terriza và Gabriele Anzolin, Xoắn ánh sáng xoay quanh các lỗ đen xoay tròn, Vật lý thiên nhiên. 7, 195 đỉnh197 (2011).
[4]Hợp tác EHT và cộng sự, chụp ảnh lỗ đen siêu lớn trung tâm, Ast Astysys. J. Lett. 875, L4 (52) (2019), Kết quả Kính viễn vọng chân trời sự kiện M87 đầu tiên IV.
[5]Hợp tác EHT và cộng sự, nguồn gốc vật lý của vòng không đối xứng, Ast Astysys. J. Lett. 875, L5 (31) (2019), Kết quả Kính viễn vọng chân trời sự kiện M87 đầu tiên V.
[6]Cộng tác EHT và cộng sự, bóng Bóng và khối lượng của lỗ đen trung tâm, Ast Astysys. J. Lett. 875, L6 (44) (2019), Kết quả Kính viễn vọng chân trời sự kiện M87 đầu tiên VI.
[10]Demetrios Christodoulou và Remo Ruffini, những biến đổi có thể đảo ngược của một lỗ đen tích điện, Phys Phys. Rev. D 4, 3552 Từ3555 (1971).
[29]Bin Chen, Ronald Kantowski, Xinyu Dai, Eddie Baron và Prasad Maddumage, Thuật toán và chương trình cho thấu kính hấp dẫn mạnh mẽ trong không gian Kerr bao gồm phân cực, Ast Astysys. J. Phụ. Ser. 218, 4 (2015).

Số liệu:

Hình 1. Kết quả thí nghiệm . Các thành phần trường dọc theo hướng của người quan sát và phổ xoắn ốc thu được bằng phương pháp TIE cho epoch 1 và epoch 2. Sự không đối xứng giữa các thành phần = 1 và = 1 trong cả hai phổ xoắn ốc cho thấy sự quay của lỗ đen trong M87. Nó cũng chỉ ra rằng xoáy điện từ được tái tạo từ phân tích TIE về cường độ trường EM được chiết xuất từ ​​nhiệt độ sáng trong băng thông tần số hữu hạn có các thành phần dọc theo hướng truyền tới người quan sát tương thích với thấu kính xoắn của lỗ đen với = 0,9 ± 0,1 quay theo chiều kim đồng hồ với vòng quay hướng ra khỏi Trái đất và vòng Einstein có bán kính hấp dẫn$m$$m$$a$$R_g$= 5, như được chỉ ra bởi một phân tích EHT bị chi phối bởi phát xạ không liên tục. Trong tất cả các ngày, đường kính của các tính năng của vòng bao trùm phạm vi hẹp 38, 4444 giây-giây và nhiệt độ sáng tối đa quan sát được của vòng là ∼ 6 × 10 K. Các thành phần khác ( và ) của trường EM xuất phát từ phương trình TIE không hiển thị thành phần OAM chiếm ưu thế. Điều này được mong đợi .$T$$^9$$^{[6]}$$x$$y$$^{[1]}$

Hình 2. Kết quả từ các phân tích dữ liệu DIFMAP, EHT và SMILI và mô phỏng số từ KERTAP . Ba phần tử đầu tiên cho thấy quang phổ xoắn ốc thử nghiệm thu được từ ba hình ảnh đường ống trong ngày 11 tháng 4 năm 2017 từ SMILI, hình ảnh EHT và DIFMAP . Chúng đại diện cho biên độ hiển thị và pha như là một hàm của đường cơ sở vectơ. Trong tất cả các bộ dữ liệu, tham số bất đối xứng, tỷ lệ giữa các đỉnh = 1 và = 1 trong phổ xoắn ốc, là > 1 chỉ ra sự quay theo chiều kim đồng hồ: lỗ đen được tìm thấy có spin quay ra khỏi Trái đất và độ nghiêng giữa máy bay phản lực đang đến gần và tầm nhìn của$^{[4]}$$m$$m$$q$$i$= 17 ° (tương đương với hình dạng tương tự có độ nghiêng = 163 °, nhưng trong đó động lượng góc của dòng chảy bồi và của BH là chống thẳng hàng) ( trái ). Hình thứ tư : phổ xoắn ốc của các mô phỏng số với KERTAP thu được từ cường độ và pha chuẩn hóa của thành phần của trường bức xạ phát ra từ hình ảnh được phân giải không gian của đĩa bồi tụ lỗ đen bị chi phối bởi phát xạ nhiệt với = 2. Độ kết hợp của phát xạ bức xạ được đặc trưng bởi tỷ lệ giữa = 0 và$i$$^{[29]}$$z$$m$$m$= 1 đỉnh trong phổ xoắn ốc. Càng thấp, độ kết hợp trong phát xạ càng cao. Phổ xoắn ốc thử nghiệm của SMILI, hình ảnh EHT và DIFMAP cho thấy độ kết hợp cao hơn trong phát xạ bức xạ (χ = 1.198, χ = 1.798) và (χ = 1.107) đối với mô hình mô phỏng của đĩa bồi tụ nhiệt đơn giản có phổ công suất Γ = 2 ( = 5.029) và đối với mô hình thu được trong tái tạo TIE của mặt sóng ( = 13.745 và χ = 14.649) trong Hình.1. Ngay cả khi bất đối xứng$_\text{SMILI}$$_\text{EHT}$$_\text{DIFMAP}$$_\text{KERTAP}$$_\text{ep1}$$_\text{ep2}$$q$ được bảo quản tốt, phương pháp TIE có thể được cải thiện bằng cách thu thập dữ liệu liên tiếp của mặt sóng, cách nhau một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều so với một ngày và do đó có thể cung cấp thông tin tốt hơn về phát xạ nguồn.

Bài viết đó chứa thông tin bổ sung đáng kể và minh họa cũng đáng xem xét. Cảm ơn bạn Jack R. Woods vì đường dẫn dẫn tôi đến thông tin trên.

Chỉnh sửa trước :

Trong bài báo: " Kết quả kính viễn vọng chân trời sự kiện M87 đầu tiên. V. Nguồn gốc vật lý của vành không đối xứng ", (ngày 10 tháng 4 năm 2019), bởi sự hợp tác của Kính viễn vọng chân trời sự kiện, Kazunori Akiyama, Antxon Alberdi, Walter Alef, Keiichi Asada, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, David Ball, Mislav Baloković, John Barrett, et al., Trong một trong một số bài báo được xuất bản gần đây, họ giải thích:

(4) Vòng sáng hơn ở phía nam so với phía bắc. Điều này có thể được giải thích bằng sự kết hợp của chuyển động trong nguồn và Doppler. Một ví dụ đơn giản, chúng tôi xem xét một vòng sáng mỏng, quang học quay với tốc độ v và một vectơ động lượng góc nghiêng ở góc nhìn i> 0 ° so với đường ngắm. Sau đó, phía tiếp cận của vòng được tăng cường Doppler, và phía rút lại là Doppler bị mờ đi, tạo ra độ tương phản độ sáng bề mặt của sự thống nhất trật tự nếu v là tương đối. Phía tiếp cận của máy bay phản lực quy mô lớn trong M87 được định hướng về phía tây tây bắc (góc vị trí trong Bài VI, đây được gọi là ), hoặc bên phải và hơi lên trong hình ảnh.$\mathrm{PA}\approx 288^\circ ;$${\mathrm{PA}}_{\mathrm{FJ}}$

Hình 5 từ bài báo đó được bao gồm trong câu trả lời của Rob Jeffries.

Kết luận mà họ đạt được, một phần, là:

"... Kết quả so sánh này phù hợp với giả thuyết rằng phát xạ 1,3 mm nhỏ gọn trong M87 phát sinh trong một vài${r}_{{\rm{g}}}$của một lỗ đen Kerr và cấu trúc giống như vòng của hình ảnh được tạo ra bởi thấu kính hấp dẫn mạnh và chiếu tia Doppler. Các mô hình dự đoán rằng sự bất đối xứng của hình ảnh phụ thuộc vào cảm giác quay của lỗ đen. Nếu cách giải thích này là chính xác, thì vectơ quay của lỗ đen trong M87 chỉ cách Trái đất (lỗ đen quay theo chiều kim đồng hồ trên bầu trời). Các mô hình cũng dự đoán rằng có một dòng năng lượng mạnh hướng ra khỏi các cực của lỗ đen và dòng năng lượng này bị chi phối bởi điện từ. Nếu các mô hình là chính xác, thì động cơ trung tâm cho máy bay phản lực M87 được cung cấp năng lượng từ việc trích xuất năng lượng điện từ tự do liên quan đến spin lỗ đen thông qua quy trình Blandford nút Znajek. ".

Dự thảo đầu tiên :

Bài báo: " Sự bất ổn của Ergoregion của các vật thể nhỏ gọn kỳ lạ: nhiễu loạn điện từ và lực hấp dẫn và vai trò của sự hấp thụ ", (ngày 15 tháng 2 năm 2019), bởi Elisa Maggio, Vitor Cardoso, Sam R. Dolan và Paolo Pani giải thích rằng điều này là do xoay vòng siêu năng lực ở trang 10:

" ... sự bất ổn có thể được hiểu theo nghĩa của sóng bị mắc kẹt trong hàng rào photon-cầu và khuếch đại bởi tán xạ superradiant R. Brito, V. Cardoso, và P. Pani, Lect. Ghi chú Phys. 906 , tr.1 (2015), arXiv: 1501.06570 .$^{[43]}$
[43]

Trong bài viết " Superradiance ", (ở trên) trong khi dài hơn đáng kể, có thể dễ tiếp cận hơn nhiều. Trên trang 38 nơi họ giải thích Quy trình Penrose, họ đưa ra một sơ đồ có thể giúp cho việc hiểu về điều này dễ dàng hơn:

"Hình 7: Chế độ xem hình ảnh của các quá trình Penrose ban đầu. Một hạt có năng lượng E phân rã bên trong vũ trụ thành hai hạt, một hạt có năng lượng âm E <0 rơi vào BH, trong khi hạt thứ hai thoát ra vô cùng với năng lượng cao hơn hạt ban đầu, E > E . ".$_0$2 1 0$_2$$_1$$_0$

Từ trang 41:

"Hình 8: Sự tương tự băng chuyền của quá trình Penrose. Một cơ thể rơi gần như từ phần còn lại vào một hình trụ quay, có bề mặt được phun keo. Ở bề mặt cơ thể buộc phải quay cùng với hình trụ (do đó tương tự BH ergosphere, bề mặt mà không có người quan sát nào có thể đứng yên đối với vô cực). Các trạng thái năng lượng tiêu cực của ergoregion được phát bởi năng lượng tiềm năng liên quan đến bề mặt dính. Nếu bây giờ một nửa vật thể (màu đỏ) bị tách ra khỏi đầu tiên một nửa (hơi vàng), nó sẽ đạt tới vô hạn với nhiều năng lượng (động năng) hơn so với ban đầu, rút ​​năng lượng quay ra khỏi hệ thống. ".

Một mô hình phức tạp hơn nữa, được cho là vượt quá những gì được yêu cầu, từ trang 46:

"Hình 9: Chế độ xem hình ảnh của các quá trình Penrose va chạm khác nhau. Bên trái: các hạt ban đầu với động lượng xuyên tâm (p <0 và p <0). Hạt 3 có động lượng xuyên tâm ban đầu, nhưng cuối cùng cũng tìm thấy một bước ngoặt và thoát ra vô cùng. Hiệu quả tối đa cho việc này được thể hiện là khá khiêm tốn η ∼ 1,5 . Phải: các hạt ban đầu với p > 0 và p <0. trường hợp hạt 1 phải có p > 0 bên trong không gian vũ trụ. Đối với quá trình này, hiệu quả có thể không bị ràng buộc đối với các BH cực trị .$^r _1$r 2 [168,169,170,171] r 1 r 2 r 1 [172,173]$^r_2$$^{[168, 169, 170, 171]}$$^r_1$$^r_2$$^r_1$$^{[172, 173]}$

[168]T. Piran và J. Shaham, Giới hạn trên của quá trình va chạm Penrose gần quay chân trời hố đen, vật lý.Rev. D16 (1977) 1615 Từ1635.

[169]T. Harada, H. Nemoto và U. Miyamoto, Hồi Giới hạn phát xạ hạt trên do va chạm năng lượng cao và phản ứng gần lỗ đen Kerr quay cực đại, Vật lý.Rev. D86 (2012) 024027, arXiv: 1205,7088 [gr-qc].

[170]M. Bejger, T. Piran, M. Abramowicz và F. Hakanson, quá trình Collisional Penrose gần đường chân trời của các hố đen Kerr cực đoan, Hồi Phys.Rev.Lett. 109 (2012) 121101, arXiv: 1205.4350 [astro-ph.HE].

[171]O. Zaslavskii, Mạnh Về năng lượng của các va chạm hạt gần lỗ đen: Hiệu ứng BSW so với quá trình Penrose, Vật lý.Rev. D86 (2012) 084030, arXiv: 1205.4410 [gr-qc].

[172] JD Schnittman, Mười Một giới hạn trên được sửa đổi để khai thác năng lượng từ lỗ đen Kerr, chanh arXiv: 1410.6446 [astro-ph.HE].

[173] E. Berti, R. Brito và V. Cardoso, mảnh vụn năng lượng cực cao từ quá trình Penrose va chạm, Hồi arXiv: 1410,8534 [gr-qc].

Có một bản tóm tắt ở trang 170 (không có ở gần cuối bài) giải thích:

"Trong các lý thuyết hấp dẫn, siêu liên kết có mối liên hệ mật thiết với gia tốc thủy triều, thậm chí ở cấp độ Newton. Các lý thuyết hấp dẫn tương đối dự đoán sự tồn tại của BH, các giải pháp chân không hấp dẫn mà chân trời sự kiện hoạt động như một màng nhớt một chiều. và để trích xuất năng lượng từ chân không ngay cả ở mức cổ điển. Khi tính đến các hiệu ứng bán cổ điển, sự siêu chồng cũng xảy ra trong các cấu hình tĩnh, như trong trường hợp bức xạ Hawking từ BH Schwarzschild.

Hiệu quả của tán xạ cực lớn của GW bằng kéo sợi (Kerr) BH có thể lớn hơn 100% và hiện tượng này được kết nối sâu sắc với các cơ chế quan trọng khác liên quan đến các vật thể nhỏ gọn, như quy trình Penrose, sự mất ổn định ergoregion, Blandford-Znajek hiệu ứng, và sự mất ổn định CFS. Siêu chồng quay có thể là khó khăn để quan sát trong phòng thí nghiệm, nhưng đối tác BH của nó có liên quan đến một số hiệu ứng và sự không ổn định thú vị, có thể để lại dấu ấn quan sát. Chúng tôi đã trình bày một cách xử lý thống nhất các hiện tượng siêu chồng BH bao gồm các BH tích điện, kích thước cao hơn, các không gian phẳng không đối xứng, các mô hình tương tự của trọng lực và các lý thuyết ngoài GR. ".

Tôi tin rằng chúng ta đang thấy một trong những hiệu ứng của đĩa bồi tụ quay với tốc độ rất cao. Điều này được gọi là chiếu tia tương đối tính , và nó xảy ra do các hạt (trong trường hợp này là vật chất trong đĩa bồi tụ) đang di chuyển với tốc độ tương đối tính (giả sử, lên trên .2c), có xu hướng phát ra bức xạ của chúng theo hình nón theo hướng chuyển động .

Điều này cho thấy rằng vật chất ở phía dưới bức tranh (những đốm sáng nhất) đang di chuyển về phía chúng ta, và những phần tối hơn đang di chuyển đi. Vì lỗ đen có xu hướng làm cong ánh sáng xung quanh chính nó, tôi không chắc chắn từ bức ảnh về hướng của đĩa bồi tụ.