Як зрозуміти зображення чорної діри

У середу 10 квітня 2019 року ви, напевно, побачили найперше зображення чорної діри.
Саме в цей день проект "Телескоп горизонту подій" оприлюднив результати своєї роботи.
Я їх ще не бачив, але вважаю, що це буде щось на кшталт цього, і я можу бути практично впевненим, оскільки...
Гаразд.
Це за виглядом трохи нагадує нечітку пляму від чашки кави.
Але якщо ви розчаровані цим зображенням, то хіба тому, що не усвідомлюєте всю серйозність ситуації.
Завдяки цьому зображенню ми зможемо встановити, наскільки загальна теорія відносності точно передбачає, що відбувається в сильному гравітаційному полі, яке існує поблизу чорних дір.
Що я хочу зробити, то це зрозуміти, що саме ми бачимо на цьому зображенні.
Ось мій макет чорної діри, і ця сферична поверхня являє собою горизонт подій.
Це така область простору, з якої навіть світло, випромінене радіально, не може бути зафіксоване ​​зовнішнім спостерігачем.
Всі світові лінії закінчуються в центрі чорної діри — у сингулярності.
Після перетину горизонту для вас не існуватиме шляху, яким можна було б повернутися.
Навіть світло не зможе вийти.
Радіус горизонту подій відомий як радіус Шварцшильда.
Якби ми просто подивилися на чорну діру в порожнечі, то не змогли б зробити такий знімок, тому що вона поглинає все електромагнітне випромінювання, яке падає на неї.
Але чорна діра, як та, що в центрі нашої галактики Чумацький Шлях, Стрілець A* (з зірочкою), оточена речовиною, яка утворює акреційний диск.
У цьому акреційному диску є пил і газ, що обертаються навколо діри, і які є неймовірно гарячими.
Ми говоримо про мільйони градусів, і швидкість їхнього руху становить значну частку від швидкості світла.
Важливо розуміти, що чорна діра "живиться" речовиною, стаючи все більшою і більшою з часом.
Але ви побачите, що акреційний диск не простягається аж до горизонту подій.
Чому так?
Гаразд, причина полягає в тому, що існує крайня внутрішня стабільна колова орбіта.
І для чорної діри, що не обертається, радіус цієї орбіти дорівнює трьом радіусам Шварцшильда.
Цілком імовірно, що чорна діра в центрі нашої галактики обертається, але з метою спрощення я просто розгляну випадок, що вона не обертається.
Ви можете подивитися моє відео про такі чорні діри.
Отож, це найбільш внутрішня орбіта для речовини, що рухається навколо чорної діри.
Якщо матерія проникне ближче, то досить швидко потрапить у чорну діру, і ми ніколи більше цю речовину не побачимо.
Але існує дещо, що може рухатися навколо чорної діри ближче.
І це... світло.
Світло не має маси, тож воно може рухатися по колу на відстані 1,5 (півтора) радіуса Шварцшильда від центра.
Я зобразив таку орбіту кільцем, але насправді вона може мати будь-яку орієнтацію, тобто це фотонна сфера.
І якби ви опинилися там..., звісно, це неможливо.., але якби ви подивилися вперед, то фактично побачили б свою потилицю.
Усе тому, що фотони світла огинали б чорну діру по коловій орбіті.
Фотонна сфера є нестабільною орбітою, тобто фотони або по спіралі потраплять в сингулярність, або ж по спіралі вилетять в нескінченність.
Запитання, на яке я хочу відповісти, є таким: "Яке відношення має ця чорна так звана "тінь" на зображенні до того, що насправді відбувається навколо чорної діри?"
Може, це горизонт подій, на який ми дивимося?
Чи це фотонна сфера?
Або ж це внутрішня найбільш стабільна колова орбіта?
Так, ситуація непроста.
І це обумовлено тим, що чорна діра викривляє простір-час навколо, змінюючи шляхи світлових променів, тож світло поширюється не по прямій, як ми звикли.
Я маю на увазі, що вони рухаються прямолінійно, але простір-час викривлений, тож промені теж викривляються.
Тому найкращим способом, можливо, було б уявити паралельні світлові промені, що приходять від спостерігача.
Звісно, якщо ці світлові промені перетнуть горизонт подій, ми ніколи не побачимо їх знову.
І це буде, безумовно, темна область.
Але якщо світловий промінь проходить якраз над горизонтом, він також загнеться і зрештою перетне горизонт подій, потрапивши у чорну діру.
Навіть промінь, що рухається на відстані радіуса фотонної сфери перпендикулярно до нього, в підсумку буде викривлений і загнутий в бік горизонту подій.
Тож, для того, щоб отримати промінь, який не закінчить свою подорож у чорній дірі, ви повинні відступити на 2,6 (дві цілих і шість десятих) радіуса.
Якщо світловий промінь поширюватиметься спочатку на такій відстані від напрямку на центр, то він лиш ковзне по фотонній сфері на мінімальній відстані від горизонту, а потім вирушить у нескінченність.
Таким чином, тінь, що ми отримаємо в результаті, буде у 2,6 (дві цілих і шість десятих) рази більшою, ніж горизонт подій.
Ви запитаєте: "То що ми насправді тут бачимо? Що це за тінь?"
В межах тіні міститься горизонт подій.
Він розташований точно посередині цієї тіні, але якщо взяти світлові промені, що йдуть вище або нижче, то вони також перетинають горизонт, але на задній стороні.
Отже, фактично, те, що ми отримуємо, — це зворотна сторона горизонту подій, відображена на кільці навколо тіні.
Отже, при погляді з віддаленої точки на чорну діру, ми дійсно бачимо весь горизонт подій чорної діри.
Ну, можливо, дещо безглуздо вживати слово "бачимо", тому що він абсолютно чорний, але це справді горизонт подій у тіні.
Усе стає ще дивовижнішим: світло приходить, обходить діру ззаду і поглинається спереду, тоді ви отримаєте інше зображення горизонту поруч із цим.
Тобто у нас буде ще одне кільце, а потім ще одне після цього, і ще одне після цього.
Ви отримаєте нескінченні зображення горизонту подій при наближенні до межі цієї тіні.
А як щодо першого світла, яке ми можемо бачити?
Це світлові промені, які входять якраз під таким кутом, що лиш "торкаються" фотонної сфери, а потім закінчуються в наших телескопах.
І саме вони утворюють тінь, у 2,6 (дві цілих шість десятих) рази більшу за горизонт подій.
Отже, це приблизно те, що ми бачили б, якби дивилися перпендикулярно акреційному диску.
Але, найімовірніше, ми дивитимемося на акреційний диск під іншим кутом.
Ми можемо навіть бачити його ніби з ребра.
То чи побачимо ми тінь чорної діри в такому випадку?
Ви можете подумати, що ні.
Але оскільки чорна діра викривляє простір-час і вигинає світлові промені, то ми фактично бачимо задню частину акреційного диску.
Світлові промені, що виходять з акреційного диска, огинають зверху горизонт і потрапляють у наші телескопи, тож, зрештою, ми бачимо щось подібне.
Аналогічним чином світло від нижньої частини акреційного диска через кривизну простору-часу обходить чорну діру спід низу і приходить до нас.
Ось як ми отримуємо зображення, схоже до того, що було показане у фільмі "Інтерстеллар".
Але все навіть неймовірніше.
Усе тому, що світло, яке виходить з верхньої частини акреційного диска тут, може обійти чорну діру, торкнувшись фотонної сфери, і прийти знизу ось тут, утворюючи дуже тонке кільце всередині тіні.
Таким же чином, світло від нижньої частини акреційного диска спереду може пройти попід дірою і вийти через верхній край.
Ось чому ми бачимо це кільце світла.
Це те, що ми могли б побачити, якби були достатньо близько до чорної діри.
І це справді вражаюче.
Ще одним важливим ефектом, який слід враховувати, є те, що речовина в акреційному диску рухається з величезною швидкістю, близькою до світлової, тому при русі до нас, матерія буде набагато яскравішою, ніж при русі від нас.
Це називається релятивістською зміною яскравості, через що один бік цього акреційного диска виглядатиме яскравішим, ніж інший.
І саме тому ми побачимо яскраву область на зображенні.
Сподіваюся, ви тепер краще розумієте, що саме ми бачимо, коли дивимося на зображення чорної діри.
Якщо у вас є якісь запитання, будь ласка, залиште їх у коментарях.
І ще: я робитиму відео про оприлюднення першого зображення чорної діри, тож спробую тоді відповісти на всі ваші запитання.
А доти, я сподіваюся, ви отримаєте не менше задоволення від цього відео, оскільки це дійсно моя одержимість.