M87 Lubang hitam. Mengapa kita bisa melihat kegelapan?

Jadi, seperti judulnya, mengapa kita bisa benar-benar melihat 'kegelapan' dari lubang hitam? Saya mendapatkan bahwa apa yang sebenarnya kita lihat adalah cakrawala peristiwa, atau disk akresi. Tetapi haruskah ini tidak meluas sepanjang jalan? Tentunya lubang hitam bukanlah hal 2D sehingga kita dapat "melihat ke dalamnya dari atas" (Saya menggunakan istilah itu secara longgar karena jelas tidak ada arah di luar angkasa!), Jadi mengapa kita dapat benar-benar melihat kegelapan?

Satu-satunya hal yang dapat saya pikirkan adalah bahwa sebuah lubang hitam, seperti tata surya kita memiliki semacam ekliptika, bahwa sebagian besar materi mengorbit, dan di tempat lain tidak ada cukup materi untuk cahaya dapat terlihat, seperti mengapa kita tidak dapat melihat awan Oort.

Saya harap itu masuk akal, dan saya bisa pergi, tetapi itu adalah satu-satunya hal yang bisa saya pikirkan untuk menjelaskannya. Jika itu masalahnya, maka apakah kita bisa mendapatkan gambar yang serupa dari Sagitarius A, mengingat kita bisa berada di "ekliptika" itu, jadi tentu saja kita hanya dapat melihat materi yang dipanaskan di sekitar cakrawala peristiwa dan bukan kegelapan?

Jawaban Rob Jeffries sangat bagus, saya hanya ingin menambahkan gambar ini mencoba menjelaskan geometri. Di sini, saya mengasumsikan black hole yang tidak berputar (BH); untuk BH yang berputar, angka pastinya sedikit berbeda.

Lingkup foton

Foton bergerak pada garis lurus, tetapi dalam ruang yang sangat melengkung di sekitar BH garis lurus ini tampak melengkung. Meskipun horizon peristiwa (EH) pada jarak ( jari-jari Schwarzschild ) dari BH menandai wilayah dari mana tidak ada foton yang dapat lolos jika dipancarkan secara radial , foton pada sebagian orbit tangensial akan jatuh kembali ke jarak , di mana foton yang bepergian sepenuhnya secara tangensial akan tetap berada di lingkup foton (meskipun ini adalah orbit yang tidak stabil).$r = 2GM/c^2 \equiv r_\mathrm{S}$$r = 1.5r_\mathrm{S}$

Orbit stabil terdalam dan piringan akresi

Materi biasa akan berputar ke dalam hingga dua kali jarak ini; karenanya, di dalam orbit melingkar stabil paling dalam (ISCO) pada , materi cukup banyak untuk diserap. Di luar wilayah ini, materi mungkin mengorbit, membentuk piringan akresi , tetapi karena gesekan antar partikel akan menyebabkan mereka kehilangan energi, mereka perlahan-lahan akan mendekati ISCO, setelah itu mereka akan dengan cepat jatuh ke dalam BH. Perhatikan bahwa M87 BH tidak memiliki disk akresi tipis seperti yang digambarkan dalam film Interstellar ; agak "awan" tebal yang mengelilingi sebagian besar BH.$r=3r_\mathrm{S}$

Foton yang dipancarkan secara tangensial di luar lingkup foton akan berputar di sekitar BH berkali-kali, perlahan-lahan meningkatkan jarak mereka, sampai akhirnya mereka melarikan diri pada jarak yang diproyeksikan dari dari BH (misalnya Frolov & Novikov 1998 ).$\sqrt{27/4}r_\mathrm{S} \simeq 2.6r_\mathrm{S}$

Bayangan

Sama seperti jalur sinar cahaya melengkung di sekitar BH, demikian juga garis pandang dari Anda menuju BH (Anda dapat menganggap garis pandang sebagai foton terbalik). Itu berarti bahwa semua yang lebih dekat dari (jarak proyeksi) ke BH, pada akhirnya, akan berakhir pada EH, bahkan jika mengambil beberapa orbit di sekitar BH. Garis pandang ini terdiri dari apa yang disebut bayangan ( Falcke et al. (2000) ; Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019a) ,). Di sisi lain, di sepanjang garis pandang yang lebih jauh, Anda melihat radiasi yang dipancarkan dari materi jatuh ke dalam BH, baik di depan maupun di belakang BH. Dan sejak pandangan pertama tidak$2.6r_\mathrm{S}$berakhir di lingkaran EH bola foton berkali-kali, garis-garis pandang itu sebenarnya jalan yang sangat panjang melalui materi yang menyinari cahaya terakhirnya sebelum ditelan, dan karenanya mereka terlihat sangat terang (misalnya Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ). Cincin cerah di luar bayangan ini disebut cincin foton , atau cincin emisi .

Gambaran

Gambar di bawah ini dapat membantu memahami. Semua garis merah adalah garis pandang menuju BH. Hanya yang paling atas hanya menyerempet bola foton (dan materi bercahaya di belakang). Sisanya berhenti di EH, dan karenanya terlihat hitam (kecuali untuk materi bercahaya di depan). Dekat dengan pusat, Anda melihat bagian depan EH; lebih jauh Anda benar-benar melihat bagian belakang EH; lebih jauh lagi Anda melihat bagian depan EH, dan seterusnya hingga tak terbatas hingga Anda mencapai cincin foton.

Pengamatan

Meskipun resolusi pengamatan menjadi mikro-arcseconds mencengangkan , cincin foton dioleskan pada wilayah yang lebih besar, menghasilkan bentuk donat yang Anda lihat. Artinya, apa yang Anda lihat dalam gambar itu bukanlah "EH di depan piringan akresi", melainkan "EH yang dilihat dari semua sisi pada waktu yang sama dan diperbesar, dengan cahaya yang dipancarkan dari cincin foton".$\sim25$

Kecuali jika cakram akresi terlihat tepat di muka, setengah dari cakram akresi memiliki komponen kecepatan ke arah Anda, menjadikannya lebih terang daripada separuh lainnya melalui efek relativistik khusus yang disebut berseri - seri . Ini terlihat di bagian selatan M87 BH.$^\dagger$

Gambar di bawah ini (dari Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ) menunjukkan, dari kiri ke kanan, pengamatan aktual, model di mana Anda melihat cincin foton yang agak tajam, dan model ini kabur untuk mencocokkan dengan resolusi pengamatan.

$^\dagger$ _{Setidaknya bahan sesaat sebelum masuk ke dalam BH, yang mengikuti rotasi BH. Lebih jauh, sisa disk akresi pada prinsipnya memutar ke arah lain.}

Anda harus berpikir tentang bagaimana cahaya akan sampai kepada Anda dari tempat itu dihasilkan dekat dengan horizon peristiwa lubang hitam. Cahaya yang dihasilkan antara Anda dan lubang hitam dapat mencapai Anda. Cahaya yang dihasilkan segera di belakang lubang hitam tidak dapat mencapai Anda (atau setidaknya itu tidak datang kepada Anda dari arah itu). Cahaya yang dihasilkan di posisi lain dapat mencapai Anda melalui berbagai rute, salah satunya adalah mengorbit lubang hitam dan kemudian menuju ke arah Anda.

Sebagai akibatnya ada konsentrasi cahaya yang diamati ke dalam cincin yang terlihat di sekitar lubang hitam dan lingkaran (er) gelap di dalamnya yang menandai wilayah dari mana cahaya tidak dapat melakukan perjalanan langsung ke Anda, tetapi sebaliknya jatuh ke dalam hitam lubang atau loop di sekitarnya. Asimetri dalam "cincin" foton akan disebabkan oleh gerakan orbital relativistik material yang memiliki efek meningkatkan emisi di arah maju dan juga oleh "seret bingkai" yang disebabkan oleh rotasi lubang hitam (itulah sebabnya bayangan itu "di luar pusat").

Deskripsi yang agak akademis tentang fenomena ini diberikan oleh Falcke et al. (2000) dan Huang et al. (2007) .

Anda dapat mengamati efek "membayangi" lubang hitam Kerr dan Schwarzschild di situs web ini .

Jalur cahaya yang diambil di dekat lubang hitam tidak seperti yang dibutuhkan di ruang kosong. Pada dasarnya kita melihat "bayangan" dari lubang hitam. Sebagian besar cahaya yang kita harapkan datang ke arah kita dari arah tertentu telah dialihkan ke tempat lain oleh gravitasi lubang.

Lubang hitam ini memiliki piringan akresi, yang merupakan piringan materi yang berputar di sekitar lubang hitam dengan kecepatan ekstrem, menyebabkannya memanas. Warna oranye yang Anda lihat dalam gambar adalah hal yang penting. Masalahnya tampak "lebih tebal" di satu sisi karena bagian bawah disk dimiringkan sedikit ke arah kami. "Kegelapan" yang Anda lihat hanyalah cakrawala peristiwa yang menghentikan cahaya dari wilayah itu untuk melarikan diri.