M87 Schwarzes Loch. Warum können wir die Schwärze sehen?

Also, wie der Titel sagt, warum können wir tatsächlich die "Schwärze" des Schwarzen Lochs sehen? Ich verstehe, dass das, was wir tatsächlich sehen, der Ereignishorizont oder die Akkretionsscheibe ist. Aber sollte sich das nicht rundum erstrecken? Sicherlich ist das Schwarze Loch keine 2D-Sache, also können wir "von oben hineinschauen" (ich benutze diesen Begriff locker, da es offensichtlich keine Richtungen im Raum gibt!). Warum können wir also die Schwärze tatsächlich sehen?

Das einzige, woran ich denken kann, ist, dass ein Schwarzes Loch, ähnlich wie unser Sonnensystem, eine Art Ekliptik hat, dass die überwiegende Mehrheit der Materie umkreist und überall sonst einfach nicht genug Materie hat, damit das Licht sichtbar ist. Ein bisschen wie, warum wir die Oort-Wolke nicht sehen können.

Ich hoffe, das hat Sinn gemacht, und ich könnte weit weg sein, aber es ist das einzige, woran ich denken könnte, um es zu erklären. Wenn dies der Fall ist, könnten wir ein ähnliches Bild von Schütze A erhalten, da wir in dieser "Ekliptik" davon sein könnten, so dass wir sicherlich nur die erhitzte Materie um den Ereignishorizont und sehen könnten nicht die Schwärze?

Rob Jeffries 'Antwort ist ausgezeichnet. Ich wollte nur dieses Bild hinzufügen, um die Geometrie zu erklären. Hier nehme ich ein nicht rotierendes Schwarzes Loch (BH) an; Bei einem rotierenden BH unterscheiden sich die genauen Zahlen geringfügig.

Die Photonenkugel

$r = 2GM/c^2 \equiv r_\mathrm{S}$$r = 1.5r_\mathrm{S}$

Die innerste stabile Umlaufbahn und die Akkretionsscheibe

$r=3r_\mathrm{S}$

Photonen, die direkt außerhalb der Photonenkugel tangential emittiert werden, drehen sich viele Male um das BH und vergrößern langsam ihren Abstand, bis sie schließlich in einem projizierten Abstand von entweichen$\sqrt{27/4}r_\mathrm{S} \simeq 2.6r_\mathrm{S}$

Der Schatten

$2.6r_\mathrm{S}$Wenn Sie am EH-Kreis die Photonenkugel viele Male beenden, sind diese Sichtlinien tatsächlich sehr lange Wege durch Materie, die ihr letztes Licht scheint, bevor sie verschlungen wird, und daher sehen sie außergewöhnlich hell aus (z. B. Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ). Dieser helle Ring direkt außerhalb des Schattens wird als Photonenring oder Emissionsring bezeichnet .

Die Zeichnung

Die folgende Zeichnung kann zum Verständnis beitragen. Alle roten Linien sind Sichtlinien in Richtung BH. Nur die oberste streift nur die Photonenkugel (und die dahinter liegende leuchtende Materie). Der Rest endet am EH und sieht daher schwarz aus (mit Ausnahme der Leuchtmasse vorne). In der Nähe des Zentrums sehen Sie die Vorderseite des EH. weiter draußen sehen Sie tatsächlich die Rückseite des EH; Noch weiter draußen sehen Sie wieder die Vorderseite des EH und so weiter bis ins Unendliche, bis Sie den Photonenring erreichen.

Die Beobachtung

$\sim25$

$^\dagger$

Die folgende Abbildung (aus Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ) zeigt von links nach rechts die tatsächliche Beobachtung, ein Modell, bei dem Sie den ziemlich scharfen Photonenring sehen, und dieses Modell ist unscharf, um der Auflösung der Beobachtung zu entsprechen.

$^\dagger$

Sie müssen darüber nachdenken, wie das Licht zu Ihnen gelangt, von wo es in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs erzeugt wird. Licht, das zwischen Ihnen und dem Schwarzen Loch erzeugt wird, kann Sie erreichen. Licht, das unmittelbar hinter dem Schwarzen Loch erzeugt wird, kann nicht zu Ihnen gelangen (oder zumindest nicht aus dieser Richtung zu Ihnen). An anderen Positionen erzeugtes Licht kann über verschiedene Routen zu Ihnen gelangen. Eine davon besteht darin, das Schwarze Loch zu umkreisen und dann in Ihre Richtung zu gehen.

Infolgedessen konzentriert sich das beobachtete Licht in einem scheinbaren Ring um das Schwarze Loch und einem dunklen (er) Kreis darin, der den Bereich markiert, aus dem das Licht nicht direkt zu Ihnen gelangen kann, sondern entweder ins Schwarze fällt Loch oder Schleifen um es herum. Asymmetrien im Photonen- "Ring" werden durch die relativistische Orbitalbewegung des Materials verursacht, die die Emission in Vorwärtsrichtung verstärkt, und auch durch das "Frame Dragging", das durch die Schwarzlochrotation verursacht wird (weshalb der Schatten ist "außermittig").

Eine eher akademische Beschreibung des Phänomens geben Falcke et al. (2000) und Huang et al. (2007) .

Auf dieser Website können Sie die Auswirkungen von "Schatten" sowohl für Kerr- als auch für Schwarzschild-Blackholes beobachten .

Die Wege, die das Licht in der Nähe eines Schwarzen Lochs nimmt, sind nicht mit denen im leeren Raum vergleichbar. Grundsätzlich sehen wir den "Schatten" des Schwarzen Lochs. Ein Großteil des Lichts, von dem wir erwarten würden, dass es aus dieser bestimmten Richtung auf uns zukommt, wurde durch die Schwerkraft des Lochs an anderer Stelle abgelenkt.

Dieses Schwarze Loch hat eine Akkretionsscheibe, eine Materie-Scheibe, die sich mit extremen Geschwindigkeiten um das Schwarze Loch dreht und es erwärmt. Die orange Farbe, die Sie auf dem Bild sehen, ist wichtig. Die Sache scheint auf einer Seite "dicker" zu sein, weil der Boden der Scheibe leicht zu uns geneigt ist. Die "Schwärze", die Sie sehen, ist einfach der Ereignishorizont, der verhindert, dass das Licht aus dieser Region entweicht.