Lubang hitam dari dekat: model interaktif

Cahaya yang lewat dekat lubang hitam dibelokkan oleh gravitasinya. Untuk setiap titik di layar, model ini mengikuti seberkas cahaya mundur dari mata Anda, melewati lubang hitam, lalu mencari asalnya: dari cakram tipis gas panas yang mengitari lubang hitam, dari bintang jauh di belakangnya, atau tidak dari mana pun — jika sinar itu jatuh ke dalamnya.

Apa yang Anda lihat

• Bayangan — bagian tengah yang gelap, tempat sinar berakhir di dalam lubang hitam. Lebarnya 2,6 kali horizon peristiwa, batas yang tidak bisa dilewati apa pun untuk keluar.
• Sisi jauh cakram, di atas dan di bawah — cahaya dari bagian cakram di belakang lubang hitam dibelokkan mengitarinya. Di atas Anda melihat permukaan atas sisi jauh, di bawah Anda melihat permukaan bawahnya.
• Cincin foton — cincin terang tipis di tepi bayangan: cahaya yang mengitari lubang hitam sekali atau lebih sebelum sampai kepada Anda.
• Satu sisi lebih terang — di dekat tepi dalamnya, gas bergerak dengan setengah kecepatan cahaya. Di sisi yang mendekati Anda, cahayanya lebih terang dan lebih biru; di sisi yang menjauh, lebih redup dan lebih merah (efek Doppler).
• Bagian tengah yang lebih redup dan lebih merah — cahaya yang memanjat keluar dari gravitasi lubang hitam kehilangan energi (pergeseran merah gravitasi).
• Tepi dalam — gas tidak bisa mengorbit lebih dekat dari tiga kali jari-jari horizon. Di dalamnya, gas jatuh dalam satu putaran dan hampir tidak memancarkan cahaya.

Cara penghitungannya

Setiap sinar mengikuti lintasan cahaya yang tepat di sekitar lubang hitam yang tidak berputar, berdasarkan relativitas umum Einstein (solusi Schwarzschild). Cakramnya adalah cakram tipis seperti yang diuraikan Novikov dan Thorne: suhunya di setiap jarak dari pusat berasal dari rumus mereka, paling panas pada sekitar 4,8 jari-jari horizon. Warna setiap titik adalah pijar gas pada suhu itu, yang digeser oleh efek Doppler dan oleh gravitasi. Setiap cincin gas mengorbit dengan kecepatan orbitnya sendiri; jam menunjukkan waktu pengamat yang jauh, dan cahaya dari bagian cakram yang berbeda memerlukan waktu berbeda untuk sampai kepada Anda.

Lubang hitam tampak sama pada massa berapa pun: yang lebih berat hanya lebih besar dan lebih lambat. Itulah sebabnya Sagitarius A* dan M87* menghasilkan gambar yang sama — bandingkan ukuran dan waktunya di kartu masing-masing.

Apa yang disederhanakan

• Lubang hitamnya tidak berputar. Seberapa cepat Sagitarius A* dan M87* berputar belum terukur dengan baik; lubang hitam yang berputar akan punya bayangan yang sedikit pepat dan cakram yang menjangkau lebih dekat ke dalam.
• Suhunya pilihan kami: sekitar 5.000 K di titik terpanas, sedikit lebih dingin dari permukaan Matahari, sehingga cakram berpijar dalam cahaya tampak — putih dan kuning di bagian terpanas, oranye dan merah di bagian yang lebih dingin.
• Sagitarius A* dan M87* yang asli tidak memiliki cakram terang seperti ini. Keduanya menyerap sedikit gas, dan yang dipotret oleh Event Horizon Telescope adalah cahaya radio dari gas tipis dan panas di sekitarnya; cincin terang pada gambar-gambar itu berasal dari pembelokan cahaya yang sama. Cakram seperti ini berpijar di sekitar lubang hitam yang menyerap materi dengan cepat, seperti kuasar — dan suhunya lebih panas.
• Goresan pada cakram dibuat-buat agar Anda bisa melihat gas bergerak; setiap cincin gas berputar dengan kecepatan sebenarnya. Cakram ditampilkan hingga 14 jari-jari horizon; lebih jauh lagi ia akan terus berlanjut, lebih dingin dan lebih redup.
• Bintang-bintang di belakang juga dibuat-buat, tetapi cahayanya dibelokkan dengan cara yang sama.

Sumber

• Sagitarius A*: massa 4,30 juta Matahari dan jarak 8.277 parsek (27.000 tahun cahaya) — GRAVITY Collaboration, “Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits”, A&A 657, L12 (2022). Cincin 51,8 ± 2,3 mikrodetik busur — Event Horizon Telescope Collaboration, ApJL 930, L12 (2022).
• M87*: massa 6,5 ± 0,7 miliar Matahari, jarak 16,8 megaparsek (55 juta tahun cahaya), cincin 42 ± 3 mikrodetik busur — Event Horizon Telescope Collaboration, “First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole”, ApJL 875, L1 (2019).
• Cakram: I. D. Novikov & K. S. Thorne, dalam Black Holes (Les Houches, 1973); D. N. Page & K. S. Thorne, “Disk-Accretion onto a Black Hole. I. Time-Averaged Structure of Accretion Disk”, ApJ 191, 499 (1974).
• Warna gas berpijar: fungsi pencocokan warna CIE 1931, seperti yang dicocokkan oleh C. Wyman, P.-P. Sloan & P. Shirley, JCGT 2(2), 1 (2013).