Что именно изображено на фотке чёрной дыры?

10 апреля 2019 года учёные порадовали нас впервые полученным изображением чёрной дыры в центе галактики М87 при помощи телескопа горизонта событий. Думаю, все уже видели, но вот эта боянистая фотка, на всякий случай:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Я встречал много разных интерпретаций данного изображения, зачастую, упрощённых. В этом посте я хочу развеять несколько заблуждений относительно этого изображения, которые я встречал, а так же проанализировать, что в действительности мы увидели.


Я не буду долго вдаваться в особенности устройства чёрных дыр, тем более, что материалов по ним много, да и я уже касался теории в этом посте. Коснусь лишь самого главного.


Диск аккреции (Аккреционный диск) — диск, который формируется из материи вблизи космического объекта, обладающего большим гравитационным потенциалом. Ну посудите сами — практически нет двух объектов в космосе, которые имели бы абсолютно параллельные векторы скоростей, соответственно, "падать" строго по направлению к чёрной дыре (радиально) невозможно... вернее, очень маловероятно, что получится. Обычно траектория падения происходит под некоторым углом, по искривлённой спиралевидной траектории. Частички материи по мере приближения к чёрной дыре всё больше ускоряются, и всё чаще соударяются с соседями, отчего ещё больше разогреваются, отчего начинают светиться (и не только в видимом диапазоне). Подробнее о природе данного свечения можно почитать в моём посте "Как выглядит атом".


Ну, собственно, словами "вот аккреционный диск" учёные и сфотографировали, обычно заканчивают повествование. Но мы только начинаем.


Горизонт событий — сфера вокруг центра чёрной дыры радиусом, называемом радиусом Шварцшильда (RS), внутри которой не существует мировых линий, направленных вовне, то есть всё, что находится внутри этого радиуса, никак не может повлиять на то, что находится вовне (электромагнитные волны и информация никогда не смогут покинуть эту сферу).


Но, как и вокруг любого небесного тела, вокруг чёрной дыры существуют стабильные орбиты, то есть, если у какого-то тела скорость достаточна, чтобы обращаться по данной орбите, данное тело не упадёт на чёрную дыру.


Разумеется, самой низкой орбитой, на которой можно существовать, не падая в чёрную дыру, является орбита, на которой орбитальная скорость равна скорости света.

Очень часто приходилось слышать, что вот эта тёмная область в центре — это и есть "тень" горизонта событий, хотя это не совсем так. Эта область несколько больше горизонта событий. Дело в том, что ядра атомов, образующих аккреционный диск, имеют массу, и не могут развить скорость света, соответственно, для них существует предельная орбитальная скорость. Иными словами, существует наиболее низкая устойчивая круговая орбита (англ. innermost stable circular orbit или ICSO).


Если бы чёрная дыра не вращалась, то такая орбита составляла бы 3 радиуса Шварцшильда (3RS), однако, почти все чёрные дыры вращаются, и высота ISCO обычно ниже 3Rs, и зависит от скорости вращения и направления орбиты.


Любое массивное тело, опустившееся ниже данной орбиты, неизбежно упадёт в чёрную дыру.


Соответственно, тёмная область, которую мы видим на фото - это не тень чёрной дыры, а область, ограниченная ISCO.


Фотоны, тем не менее, не имеют массы, поэтому вокруг чёрной дыры ещё ближе к горизонту событий, чем ISCO, существует ещё и так называемая "фотонная сфера" (ссылка на англ.). Для невращающейся чёрной дыры, её радиус составляет всего 1,5 RS. Фотоны света на поверхности данной сферы будут вынуждены вечно вращаться по круговой орбите вокруг чёрной дыры, и, если бы было возможно провести там наблюдение, то, глядя вперёд, можно было бы увидеть свой затылок, так как фотон света, отразившись от нашего затылка, описал бы полный круг вокруг чёрной дыры и вернулся бы в наш глаз. По этой причине, мы практически не видим свет внутри ISCO.


Тем не мене, существуют траектории, позволяющие фотону посетить зону ниже ISCO, но, тем не менее, ускользнуть от притяжения чёрной дыры. Такая траектория показана на рисунке:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

На ней видно, что фотон может подлететь к чёрной дыре, сделать виток вокруг неё, и улететь прочь. Именно этим объясняется тот феномен, что, с какой бы стороны мы не посмотрели на чёрную дыру, мы всегда увидим аккреционный диск, будто бы мы смотрим на него "сверху".


Для сравнения, возьмём планету Сатурн, с его хорошо видимыми кольцами. В зависимости от взаимной ориентации наблюдателя и колец, мы можем видеть их под разными углами:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Так что же, учёным просто повезло пронаблюдать акреционный диск, расположенный под "нужным" углом? Разумеется, нет! Дело в том, что под воздействием огромной гравитации чёрной дыры, пространство-время искривляется таким образом, что по "кромке" чёрного контура мы видим не только "вид спереди", но и то, что происходит позади чёрной дыры. Более наглядно это можно представить по этой картинке. Здесь мы видим аккреционный диск, расположенный практически "ребром" к наблюдателю. Тем не менее, область диска, которая должна скрываться "позади" чёрной дыры, так же видна наблюдателю из-за того, что фотоны света описывают полный круг вокруг наблюдаемой чёрной дыры.

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Для большей наглядности, вот ещё она картинка:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

В теории, если бы мы обладали очень большими и мощными телескопами, мы могли бы смотреть на чёрные дыры и заглядывать, таким образом, в собственное прошлое.

Вы смотрите срез комментариев. Показать все
Автор поста оценил этот комментарий

@cicatrix, вот на счет того что фотон не имеет массы, как тогда он притягивается черной дырой?

раскрыть ветку (20)
4
Автор поста оценил этот комментарий

Почему русло реки не прямое, а изгибается? Потому что ландшафт кривой. Вот представьте, что пространство-время тоже не равномерное, а деформируется при наличии большой массы.

Фотон (в пространстве) летит прямо. Но само пространство деформировано так, что нам кажется, что он летит по криволинейной траектории.

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Это не ложка изгибается, а ты сам... (с)

Автор поста оценил этот комментарий
Фотоны двигаются в пространстве, которое гравитация черной дыры, как и любых других объектов, и искривляет. Поэтому фотоны "притягиваются" черной дырой, как и любыми другими объектами
раскрыть ветку (17)
Автор поста оценил этот комментарий

Т.е. притяжение/гравитация - это воздействие масс тел, которое искривляет пространство. Не? То как тело не имеющее массы может притягиваться другим телом? Ему должно быть до фени, все эти гравитационные колодцы.

раскрыть ветку (16)
1
Автор поста оценил этот комментарий
Т.е. притяжение/гравитация - это воздействие масс тел,

Переформулирую ответ из прошлого комментария.

Какое то здоровое и плотное тело ппц как скукожило пространство. Да так что тот кто туда попадет не выйдет. Как так оно там все закручено и чего там твориться - хз.


Фотонная мелочь, хоть и не кукожит пространство, но и раскукожить тоже не может, а просто пользует его для перемещения. Ну и залетая в эту закукоженность, не вылетает уже

раскрыть ветку (15)
Автор поста оценил этот комментарий

Т.е. притяжение/гравитация - это воздействие масс тел, которое искривляет пространство.

Нет. Масса искривляет пространство-время. А уж кривизна пространства-времени и искажает прямолинейные траектории движения других тел, так, что кажется, что гравитация что-то там притягивает.

раскрыть ветку (2)
1
Автор поста оценил этот комментарий

Привет, я Артёмка, мне 35 и я только что узнал,  что...

Т.е. Земля на самом деле летит прямо мимо солнца, но солнце искривляет пространство так, что мы летим вокруг него? И это есть трактовка силы притяжения или гравитации?

Если да, то будьте любезны, опишите в этой модели действие силы притяжения Земли на летящий самолет, на человека, идущего по земле?

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку (1)
3
Автор поста оценил этот комментарий
Посмотрите вот это замечательное видео: https://www.youtube.com/watch?v=8ss9HYEIDvY
Там вначале немного про другое, но всё равно интересно.

Описание действия гравитации Земли на падающий карандаш на этом моменте:

https://youtu.be/8ss9HYEIDvY?t=1289

Но лучше смотреть целиком. Или хотя бы отсюда https://youtu.be/8ss9HYEIDvY?t=844

Автор поста оценил этот комментарий

Вот гравитационная модель ЧД. Если частица (фотон) не имеет массы от если его пустить вдоль любой из нарисованных линий, частица по идее должна пройти по этой линии весь гравитационный колодец, насрав на все. Но откинем ЧД, возьмем, что-нить полегче, например Солнце, оно тоже производит гравитационное воздействие на свет, на фотон. Как? Ведь у него, как говорят нет массы.

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку (11)
1
Автор поста оценил этот комментарий

На самом деле, и звёзды искажают пространство-время, но не так сильно, как чёрные дыры.

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку (8)
Автор поста оценил этот комментарий

Вот я как раз про то и писал, ваша картинка даже нагляднее. Вот нарисовал, как должен вести себя фотон если у него нет массы. Да его траектория для стороннего наблюдателя будет искревлена, но раз массы у него нет, то относительно меридиан его траектория не изменится. Или надо признать, что у фотона есть масса и он испытывает гравитационное воздействие.

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку (7)
Автор поста оценил этот комментарий
Ваша зелёная линия должна следовать кривизне поверхности и загибаться влево. У вас геометрия не соблюдается.
раскрыть ветку (6)
1
Автор поста оценил этот комментарий

С чего это?

Для фотона пространство остается прямым, это модель и только со стороны мы видим искривление.

Влево оно на вашем рисунке загибается (желтенькая линия), но почему? Вектор искривления пространства только перед массивным объектом действует? Или только после? Но ведь пространство и до и после объекта в равной степени должно искривляться и в итоге фотон должен вернуться на прежнюю траекторию, как это нарисовано у меня.


Признайте уже, что у фотона есть масса и не надо будет нагромождать разных теорий, искривлений, запутанностей и т.п.

раскрыть ветку (5)
Автор поста оценил этот комментарий

Для фотона пространство остается прямым

Это вы с чего взяли?


Но ведь пространство и до и после объекта в равной степени должно искривляться и в итоге фотон должен вернуться на прежнюю траекторию

Конкретную модель (с натянутой эластичной поверхностью и шариком) можно проверить экспериментально, и убедиться, что я прав. Можно проверить математически, просчитав траекторию движения вдоль "воронки". Но можно продолжать рисовать в MS Paint прямые линии.


Признайте уже, что у фотона есть масса

Не буду. У фотона массы нет. Иначе бы он не мог путешествовать со скоростью света. Если же вы считаете саму модель неправильной или сейчас будете мне доказывать несостоятельность ОТО, то ОК.


Запишу вас в один разряд к плоскоземельщикам, креационистам и эфирщикам, и закончу разговор.

раскрыть ветку (4)
Автор поста оценил этот комментарий

Не получив внятного ответа от вас, решил порыть инет и наткнулся на вполне разумное объяснение:

В классической физике масса входит в два РАЗНЫХ и вообще-то не связанных друг с другом (не связанных именно в классической физике) закона - закон всемирного тяготения и второй закон Ньютона. Поэтому в классической физике и появились "два сорта" массы - гравитационная и инертная. И довольно долго физики пытались выяснить - это одна и та же масса или две разных (хотя численно и равных) .

Вот для фотона эти массы таки разные - опять же, если рассматривать фотон с точки зрения классической физики (что само по себе несколько странно...) . У фотона нет ИНЕРТНОЙ массы, но есть ГРАВИТАЦИОННАЯ масса. То есть фотон может претерпевать бесконечно большоей ускорение (свою скорость - скорость света - он набирает "скачком"), но при этом гравитационное поле на него таки да, действует, отклоняя траекторию его движения.


Это противорение было снято только в рамках современной физики (Специальная и Общая теории относительности) , из которых следовало, что энергия и масса - эквивалентны. Поэтому фотон, обладая энергией, тем самым обладает и ЭКВИВАЛЕНТНОЙ этой энергии массой. Так что масса фотона, про которую пишут и говорят, - это просто некоторый эквивалентный параметр, который показывает, как именно фотон вот такой энергии будет взаимодействовать с гравитационным полем. А эквивалентность гравитации и ускоренного движения (т. е. тождественность гравитационной и инертной масс) - это исходный постулат Общей теории относительности.

И тут все сложилось.

раскрыть ветку (3)
Автор поста оценил этот комментарий

Фотон летит по прямой. Пространство, в котором лежит эта прямая - кривое. Посмотрите вот это замечательное видео: https://www.youtube.com/watch?v=8ss9HYEIDvY

Там вначале немного про другое, но всё равно интересно.

Автор поста оценил этот комментарий

Ну модели для центра (для сингулярности) вроде как нет.

Еще в инернетах на эту тему, какие то рассуждения про энергию, импульсы и прочее.

Возможно фотон имеет массу, либо какой то её эквивалент, либо например линии пространства при скукоживании, меняют свой вектор и не восстанавливают его, то есть отклонившийся фотон отклоняется навсегда.

Но для диванных потребителей науки вроде меня хватает и простых рассуждений )

Вы смотрите срез комментариев. Чтобы написать комментарий, перейдите к общему списку