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:

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:

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:

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.

Для большей наглядности, вот ещё она картинка:

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.