Почему черная дыра так выглядит

Мы все полюбовались на фото тени черной дыры в центре нашей галактики, но ученые могли видеть близкое изображение сверхмассивный объектов на своих компьютерах еще с 70-х годов при помощи математических моделей.

Почему мы предсказали именно такое изображение и на сколько предсказание сбылось? Обсудим визуальную анатомию черных дыр!

Из чего состоит черная дыра?

Сингулярность

Когда физики рисуют каой-то объект то любят указать на рисунке и центр его масс. А в случае когда масса переваливает за определённый порог (примерно три солнечные массы) она со временем сожмется в точку.

Рисовать сингулярность, таким образом, очень удобно — центр масс это весь объект.

Все что происходит вокруг сингулярности — отличный природный эксперимент, все аспекты которого были точнейшим образом предсказаны теорией относительности. Легко объяснить какой-то опыт из прошлого, а вот предсказать результат эксперимента будущего — вот настоящее величие физики!

Однако, сама точка в которой находится вся масса сколлапсировавщей звезды не подчиняется законам относительности. Для нее нужна квантовая теория гравитации, которая пока не завершена. Так что мы не знаем, как бы она выглядела если бы можно было ее как-то рассмотреть.

Горизонт событий

Если бы сингулярности не было в природе, физикам стоило бы ее создать! Но, как и большинство самых интересных мест вселенной, сингулярность надежно скрыта горизонтом событий.

В проекции на фоне неба горизонт событий должен иметь вид идеально круглого черного диска, если черная дыра статична или слегка искаженного, если она вращается. 

Из-за сильного гравитационного линзирования голые черные дыры могли бы оставлять заметные отпечатки на поле зрения телескопов: черные точки с искажениями по краям.

Однако, размеры горизонтов событий слишком малы по сравнению с расстояниями между космическими объектами, поэтому рассмотреть одинокую черную дыру без газа вокруг невозможно для современных методов.

Аккреционный диск

На расстоянии примерно в 2,6 раза больше горизонта событий начинается стабильная орбита яркого горящего газа. Аккреционный диск позволяет увидеть эффекты черной дыры на снимках. 

Область внутри стабильной орбиты неизбежно захватит материю и та упадет в дыру не успев испустить свет. Именно эту область называют «тенью черной дыры».

Если мы смотрим на диск фронтально, то логично увидим круг. А вот в Интерстелларе мы смотрели на Гаргантюа под углом к плоскости аккреции.

При таком ракурсе мы должны видеть яркое кольцо, как вокруг Сатурна, только вокруг черной тени.

Свет от задней части аккреционного диска, которая скрыта от нас горизонтом событий летит по криволинейной траектории и у него так же как у материи есть своя стабильная орбита, ниже которой шансы достичь удаленного наблюдателя не высоки. 

Свет огибает черную дыру и доходит до нас со стороны, которая должна быть не видна. В результате, вокруг черного круга мы видим как первичное изображение (самого аккреционного диска) так и вторичное — заднюю часть диска мы видим одновременно сверху и снизу в виде светящегося кольца.

Вообще, между стабильными орбитами материи и света излучение, испущенное газовым диском, может совершать множество витков вокруг горизонта событий, как спутники вращающиеся вокруг планет. Если бы удалось попасть туда, мы бы увидели бесчисленное множество вторичных изображений аккреционного диска со всех возможных ракурсов и из разного времени. Возможно, это самое поразительное зрелище во вселенной.

Интенсивность излучения диска зависит только от его температуры, а последняя зависит только от расстояния до черной дыры. Поэтому собственная яркость диска не может быть однородной. Максимальная светимость исходит от внутренних областей, близких к горизонту событий, потому что именно там газ самый горячий.

Кроме того, изображение воспринимаемое отдаленным наблюдателем будет сдвинуто по частоте и интенсивности за счет двух эффектов:

— Эйнштейна, при котором гравитационное поле снижает частоту и интенсивность;

— Доплера, при котором свет движущегося на нас газа будет ярче и более синим, а отдаляющегося темнее и более красным.

Предполагается, что внутренние частицы аккреционного диска двигаются с субсветовыми скоростями, что делает эффект Доплела существенным. В результате мы должны увидеть явно ассиметричное изображение, что является главным признаком именно черной дыры на снимке. Большая, но не сингулярная масса темной материи не должна заставлять газ вращаться на околосветовой скорости.

Ручная симуляция Люмине поразительно похожа на модель Кипа Торна для интерстеллара, но не очень похожа на реальную фотографию Стрельца А*.

Дело в том, что модели показывают излучение широкого спектра волн. Наверное, так будет выглядеть черная дыра вблизи для путешественника галактического масштаба. Однако мы — очень далёкий наблюдатель и для получения фото взяли только небольшой фрагмент спектра — миллиметровые радиоволны. До размера миллиметров вытянулись длины волн большей части спектра излучения аккреционного диска за счет эффектов Доплела и Эйнштейна.

Убрав лишние спектры из воспринимаемого нами излучения в 2017 году была получена модель в виде полумесяца, которая уже очень близка к реальной фотографии.

Увидим ли мы тоже самое вживую?

Коротко — нет. Взгляд на видимую область вокруг черной дыры подобен взгляду на солнце — без фильтров и коронографов ничего не увидеть.

Цвета использованные в фотографии и симуляциях показывают физические эффекты, но не реалистичное видимое изображение.

Облако газа недостаточно оптически прозрачно чтобы наш глаз напрямую мог рассмотреть что-то кроме яркого пятна.

Да и условия для человека рядом с таким объектом не самые благоприятные.

В общем, хорошо что мы можем прикоснутся к величественному и опасному лишь силой своего разума.

Для более полного опыта таких прикосновений есть, например студенческий проект Эндрю Гамильтона из института Колорадо. На сайте выкладываются актуальные реалистичные симуляции путешествия в черную дыру: https://jila.colorado.edu/~ajsh/insidebh/intro.html

Приятного просмотра!

Источником для этой статьи послужила чудесная научная статься Жана-Пьера Люмине: https://arxiv.org/pdf/1902.11196.pdf