M87 Trou noir. Pourquoi pouvons-nous voir la noirceur?

Ainsi, comme l'indique le titre, pourquoi pouvons-nous réellement voir la «noirceur» du trou noir? Je comprends que ce que nous voyons réellement est l'horizon des événements, ou disque d'accrétion. Mais cela ne devrait-il pas s'étendre sur toute la ligne? Assurément, le trou noir n'est pas une chose en 2D, donc nous pouvons «y regarder d'en haut» (j'utilise ce terme librement car il n'y a évidemment pas de directions dans l'espace!), Alors pourquoi pouvons-nous réellement voir la noirceur?

La seule chose à laquelle je peux penser, c'est qu'un trou noir, tout comme notre système solaire a une sorte d'écliptique, que la grande majorité de la matière est en orbite, et partout ailleurs, il n'y a tout simplement pas assez de matière pour que la lumière soit visible, un peu comme pourquoi nous ne pouvons pas voir le nuage d'Oort.

J'espère que cela avait du sens, et je pourrais être loin, mais c'est la seule chose à laquelle je pouvais penser pour l'expliquer. Si c'est le cas, serions-nous en mesure d'obtenir une image similaire du Sagittaire A, vu que nous pourrions être dans cette "écliptique" de celui-ci, donc nous ne serions sûrement en mesure de voir que la matière chauffée autour de l'horizon des événements et pas la noirceur?

La réponse de Rob Jeffries est excellente, je voulais juste ajouter cette image en essayant d'expliquer la géométrie. Ici, je suppose un trou noir non tournant (BH); pour un BH rotatif, les nombres exacts sont légèrement différents.

La sphère photonique

Les photons se déplacent sur des lignes droites, mais dans l'espace fortement incurvé autour d'un BH, ces lignes droites semblent incurvées. Bien que l'horizon des événements (EH) à une distance de (le rayon de Schwarzschild ) du BH marque la région à partir de laquelle aucun photon ne peut s'échapper s'il est émis radialement , les photons sur partiellement l'orbite tangentielle retombera à une distance de , où les photons se déplaçant complètement tangentiellement resteront sur la sphère de photons (bien que ce soit une orbite instable).$r = 2GM/c^2 \equiv r_\mathrm{S}$$r = 1.5r_\mathrm{S}$

L'orbite stable la plus intérieure et le disque d'accrétion

La matière ordinaire va en spirale vers l'intérieur jusqu'à deux fois cette distance; par conséquent, à l'intérieur de l' orbite circulaire la plus intérieure stable (ISCO) à , la matière est à peu près obligée d'être absorbée. En dehors de cette région, la matière peut orbiter, formant le disque d'accrétion , mais comme le frottement entre les particules leur fera perdre de l'énergie, elles s'approcheront lentement de l'ISCO, après quoi elles tomberont rapidement dans le BH. Notez que le M87 BH n'a pas de disque d'accrétion mince comme celui décrit dans le film Interstellar ; plutôt un "nuage" épais entourant la majeure partie du BH.$r=3r_\mathrm{S}$

Les photons émis tangentiellement juste à l'extérieur de la sphère de photons vont tourner en spirale autour du BH plusieurs fois, augmentant lentement leur distance, jusqu'à ce qu'ils finissent par s'échapper à une distance projetée de de la BH (par exemple Frolov & Novikov 1998 ).$\sqrt{27/4}r_\mathrm{S} \simeq 2.6r_\mathrm{S}$

L'ombre

Tout comme la trajectoire des rayons lumineux est incurvée autour du BH, les lignes de vision de vous vers le BH le sont aussi (vous pouvez considérer les lignes de vision comme des photons inversés). Cela signifie que toutes les lignes de visée qui sont plus proches que (une distance projetée de) du BH finiront finalement sur l'EH, même si elles prennent plusieurs orbites autour du BH. Ces lignes de visée comprennent ce que l'on appelle l' ombre ( Falcke et al. (2000) ; Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019a) ). D'un autre côté, le long des lignes de visibilité plus éloignées, vous voyez le rayonnement émis par la matière tomber dans le BH, à la fois devant et derrière le BH. Et depuis les premières lignes de visée qui ne le font pas$2.6r_\mathrm{S}$se terminent plusieurs fois au cercle EH de la sphère de photons, ces lignes de vision sont en fait de très longs chemins à travers la matière qui brille sa dernière lumière avant d'être engloutie, et par conséquent elles ont l'air exceptionnellement lumineuses (par exemple Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ). Cet anneau brillant juste à l'extérieur de l'ombre est appelé anneau de photons ou anneau d'émission .

Le dessin

Le dessin ci-dessous peut aider à comprendre. Toutes les lignes rouges sont des lignes de visée vers la BH. Seul le plus élevé effleure juste la sphère de photons (et la matière lumineuse derrière). Le reste se termine à l'EH, et par conséquent apparaît noir (sauf pour la matière lumineuse à l'avant). Près du centre, vous voyez l'avant de l'EH; plus loin, vous voyez réellement l'arrière de l'EH; encore plus loin, vous voyez à nouveau l'avant de l'EH, et ainsi de suite à l'infini jusqu'à ce que vous atteigniez l'anneau photonique.

L'observation

Bien que la résolution d'observation soit une étonnante micro-secondes , l'anneau de photons est étalé sur une plus grande région, résultant en la forme de beignet que vous avez vue. Autrement dit, ce que vous voyez dans cette image n'est pas "l'EH devant un disque d'accrétion", mais plutôt "l'EH vu de tous les côtés en même temps et agrandi, avec la lumière émise par l'anneau de photons".$\sim25$

À moins que le disque d'accrétion ne soit vu exactement de face, la moitié du disque d'accrétion a une composante de vitesse vers vous, ce qui le rend plus lumineux que l'autre moitié grâce à un effet relativiste spécial appelé rayonnement . Cela se voit dans la partie sud de la M87 BH.$^\dagger$

La figure ci-dessous (de Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ) montre, de gauche à droite, l'observation réelle, un modèle où vous voyez l'anneau de photons plutôt net, et ce modèle est flou pour correspondre à la résolution de l'observation.

$^\dagger$ _{Au moins le matériau juste avant qu'il ne plonge dans le BH, qui suit la rotation du BH. Plus loin, le reste du disque d'accrétion peut en principe tourner dans l'autre sens.}

Vous devez penser à la façon dont la lumière va vous arriver d'où elle est produite près de l'horizon des événements du trou noir. La lumière produite entre vous et le trou noir peut vous atteindre. La lumière produite immédiatement derrière le trou noir ne peut pas vous atteindre (ou du moins elle ne vient pas de cette direction). La lumière produite à d'autres positions peut vous atteindre via différents itinéraires, dont l'un est d'orbiter le trou noir, puis de vous diriger dans votre direction.

À la suite de cela, il y a une concentration de la lumière observée dans un anneau apparent autour du trou noir et un cercle sombre (er) à l'intérieur qui marque la région à partir de laquelle la lumière ne peut pas voyager directement vers vous, mais tombe à la place dans le noir trou ou boucles autour d'elle. Les asymétries dans "l'anneau" des photons vont être causées par le mouvement orbital relativiste du matériau qui a pour effet de stimuler l'émission dans la direction avant et également par le "traînage du cadre" provoqué par la rotation du trou noir (c'est pourquoi l'ombre est "décentré").

Une description plutôt académique du phénomène est donnée par Falcke et al. (2000) et Huang et al. (2007) .

Vous pouvez observer les effets de "l'observation" pour les trous noirs de Kerr et Schwarzschild sur ce site Web .

Les chemins que la lumière emprunte près d'un trou noir ne ressemblent en rien à ceux qu'elle emprunte dans un espace vide. Fondamentalement, nous voyons «l'ombre» du trou noir. Une grande partie de la lumière que nous nous attendrions à venir vers nous à partir de cette direction particulière a été détournée ailleurs par la gravité du trou.

Ce trou noir a un disque d'accrétion, qui est un disque de matière qui tourne autour du trou noir à des vitesses extrêmes, le faisant chauffer. La couleur orange que vous voyez sur l'image est importante. La matière semble "plus épaisse" d'un côté car le bas du disque est légèrement incliné vers nous. La «noirceur» que vous voyez est simplement l'horizon des événements qui empêche la lumière de cette région de s'échapper.