M87 Agujero negro. ¿Por qué podemos ver la oscuridad?

Entonces, como dice el título, ¿por qué podemos ver realmente la "negrura" del agujero negro? Entiendo que lo que realmente estamos viendo es el horizonte de eventos, o el disco de acreción. Pero, ¿no debería esto extenderse por completo? Seguramente el agujero negro no es una cosa en 2D, por lo que podemos "mirarlo desde arriba" (¡uso ese término libremente, ya que obviamente no hay direcciones en el espacio!), Entonces, ¿por qué podemos ver realmente la oscuridad?

Lo único en lo que puedo pensar es que un agujero negro, al igual que nuestro sistema solar tiene algún tipo de eclíptica, que la gran mayoría de la materia está en órbita, y en todas partes no hay suficiente materia para que la luz sea visible, como por qué no podemos ver la nube de Oort.

Espero que tenga sentido, y podría estar muy lejos, pero es lo único que se me ocurre explicarlo. Si es el caso, entonces podríamos obtener una imagen similar de Sagitario A, ya que podríamos estar en esta "eclíptica", por lo que seguramente solo podríamos ver la materia caliente alrededor del horizonte de eventos y no la negrura?

La respuesta de Rob Jeffries es excelente, solo quería agregar esta imagen tratando de explicar la geometría. Aquí, supongo un agujero negro no giratorio (BH); para un BH giratorio, los números exactos son ligeramente diferentes.

La esfera de fotones

Los fotones se mueven en líneas rectas, pero en el espacio muy curvado alrededor de un BH estas líneas rectas aparecen curvas. Aunque el horizonte de eventos (EH) a una distancia de (el radio de Schwarzschild ) desde el BH marca la región desde la cual no pueden escapar los fotones si se emiten radialmente , los fotones se encienden parcialmente la órbita tangencial caerá a una distancia de , donde los fotones que viajan completamente tangencialmente permanecerán en la esfera de fotones (aunque esta es una órbita inestable).$r = 2GM/c^2 \equiv r_\mathrm{S}$$r = 1.5r_\mathrm{S}$

La órbita estable más interna y el disco de acreción

La materia ordinaria irá en espiral hacia adentro hasta el doble de esta distancia; por lo tanto, dentro de la órbita circular estable más interna (ISCO) en , la materia está destinada a ser absorbida. Fuera de esta región, la materia puede orbitar, formando el disco de acreción , pero como la fricción entre las partículas hará que pierdan energía, se acercarán lentamente al ISCO, después de lo cual caerán rápidamente en el BH. Tenga en cuenta que el M87 BH no tiene un disco de acreción delgado como el que se muestra en la película Interestelar ; más bien una "nube" espesa que rodea la mayor parte de BH.$r=3r_\mathrm{S}$

Los fotones emitidos tangencialmente justo fuera de la esfera de fotones caerá en espiral alrededor de los BH muchas veces, aumentando poco a poco su distancia, hasta que finalmente se escapan a una distancia proyectada de de BH (por ejemplo, Frolov y Novikov 1998 ).$\sqrt{27/4}r_\mathrm{S} \simeq 2.6r_\mathrm{S}$

La sombra

Así como la trayectoria de los rayos de luz se curva alrededor del BH, también lo son las líneas de visión desde usted hacia el BH (puede pensar en las líneas de visión como fotones invertidos). Eso significa que todas las líneas de visión que estén más cerca que (una distancia proyectada de) al BH, eventualmente, terminarán en el EH, incluso si toman varias órbitas alrededor del BH. Estas líneas de visión comprenden la llamada sombra ( Falcke et al. (2000) ; Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019a) ,). Por otro lado, a lo largo de líneas de visión que más lejos, se ve la radiación emitida por la materia que cae en el BH, tanto delante como detrás del BH. Y desde las primeras líneas de visión que no$2.6r_\mathrm{S}$terminan en el círculo EH la esfera de fotones muchas veces, esas líneas de visión son en realidad caminos muy largos a través de la materia que ilumina su última luz antes de ser envuelta, y por lo tanto se ven excepcionalmente brillantes (por ejemplo, Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ). Este anillo brillante justo afuera de la sombra se llama anillo de fotones o anillo de emisión .

El dibujo

El siguiente dibujo puede ayudar a entender. Todas las líneas rojas son líneas de visión hacia el BH. Solo el más superior roza la esfera de fotones (y la materia luminosa detrás). El resto termina en el EH y, por lo tanto, se ve negro (a excepción de la materia luminosa en el frente). Cerca del centro, ves el frente del EH; más lejos realmente ves la parte de atrás del EH; aún más lejos, ve de nuevo el frente del EH, y así hasta el infinito hasta llegar al anillo de fotones.

La observación

A pesar de que la resolución de observación es de unos asombrosos micro-segundos de arco , el anillo de fotones se extiende sobre una región más grande, lo que da como resultado la forma de rosquilla que has visto. Es decir, lo que ves en esa imagen no es "el EH frente a un disco de acreción", sino "el EH visto desde todos los lados al mismo tiempo y ampliado, con luz emitida desde el anillo de fotones".$\sim25$

A menos que el disco de aumento se vea exactamente de frente, la mitad del disco de tiene un componente de velocidad hacia usted, lo que lo hace más brillante que la otra mitad a través de un efecto relativista especial llamado emisión . Esto se ve en la parte sur del M87 BH.$^\dagger$

La figura a continuación (de Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ) muestra, de izquierda a derecha, la observación real, un modelo donde se ve el anillo de fotones bastante afilado, y este modelo se difumina para que coincida con la resolución de la observación.

$^\dagger$ _{Al menos el material justo antes de que se hunda en el BH, que sigue a la rotación del BH. Más lejos, el resto del disco de acreción puede, en principio, girar hacia el otro lado.}

Tienes que pensar en cómo te llegará la luz desde donde se produce cerca del horizonte de eventos del agujero negro. La luz producida entre usted y el agujero negro puede llegar a usted. La luz producida inmediatamente detrás del agujero negro no puede llegar a usted (o al menos no viene a usted desde esa dirección). La luz producida en otras posiciones puede llegar a usted a través de varias rutas, una de las cuales es orbitar el agujero negro y luego dirigirse en su dirección.

Como resultado de esto, hay una concentración de la luz observada en un anillo aparente alrededor del agujero negro y un círculo oscuro (er) dentro de él que marca la región desde la cual la luz no puede viajar directamente hacia usted, sino que cae en el negro agujero o bucles a su alrededor. Las asimetrías en el "anillo" de fotones serán causadas por el movimiento orbital relativista del material que tiene el efecto de aumentar la emisión en la dirección hacia adelante y también por el "arrastre del marco" causado por la rotación del agujero negro (por eso la sombra es "descentrado").

Una descripción bastante académica del fenómeno es dada por Falcke et al. (2000) y Huang et al. (2007) .

Puede observar los efectos del "sombreado" para los agujeros negros de Kerr y Schwarzschild en este sitio web .

Los caminos que la luz toma cerca de un agujero negro no se parecen en nada a los que toma en el espacio vacío. Básicamente estamos viendo la "sombra" del agujero negro. Gran parte de la luz que esperaríamos que venga hacia nosotros desde esa dirección en particular ha sido desviada a otra parte por la gravedad del agujero.

Este agujero negro tiene un disco de acreción, que es un disco de materia que gira alrededor del agujero negro a velocidades extremas, haciendo que se caliente. El color naranja que ves en la imagen es lo que importa. El asunto parece "más grueso" en un lado porque la parte inferior del disco está ligeramente inclinada hacia nosotros. La "negrura" que ves es simplemente el horizonte de eventos que impide que la luz de esa región se escape.