Чёрная дыра вблизи: интерактивная модель

Свет, проходящий близко от чёрной дыры, искривляется её гравитацией. Для каждой точки экрана эта модель прослеживает луч света от вашего глаза назад, мимо чёрной дыры, и находит, откуда он начал путь: с тонкого диска раскалённого газа, обращающегося вокруг чёрной дыры, с далёкой звезды позади неё или нигде — если луч падает внутрь.

Что вы видите

• Тень — тёмная середина, где лучи заканчиваются внутри чёрной дыры. Она в 2,6 раза шире горизонта событий — границы, из-за которой ничто не выходит.
• Дальняя сторона диска — сверху и снизу — свет от части диска за чёрной дырой огибает её. Над тенью виден верхний край дальней части диска, под тенью — его нижняя сторона.
• Фотонное кольцо — тонкое яркое кольцо у края тени: свет, который обогнул чёрную дыру один или несколько раз, прежде чем дойти до вас.
• Одна сторона ярче — у внутреннего края газ движется с половиной скорости света. На стороне, приближающейся к вам, его свет ярче и голубее; на удаляющейся — слабее и краснее (эффект Доплера).
• Более тусклая и красная середина — свет, выбираясь из гравитационного поля чёрной дыры, теряет энергию (гравитационное красное смещение).
• Внутренний край — газ не может обращаться ближе, чем на три радиуса горизонта. Внутри этой границы он падает внутрь за один оборот и почти не светит.

Как это вычисляется

Каждый луч идёт по точному пути света вокруг невращающейся чёрной дыры — по общей теории относительности Эйнштейна (решение Шварцшильда). Диск — тонкий диск по описанию Новикова и Торна: его температура на каждом расстоянии от центра берётся из их формулы, а горячее всего он примерно на 4,8 радиуса горизонта. Цвет каждой точки — это свечение газа при такой температуре, сдвинутое эффектом Доплера и гравитацией. Каждое кольцо газа обращается со своей орбитальной скоростью; часы показывают время далёкого наблюдателя, а свету от разных частей диска нужно разное время, чтобы дойти до вас.

Чёрная дыра выглядит одинаково при любой массе: более тяжёлая просто больше и медленнее. Поэтому Стрелец A* и M87* дают одну и ту же картину — сравните размеры и времена в их карточках.

Что упрощено

• Чёрная дыра не вращается. Как быстро вращаются Стрелец A* и M87*, измерено плохо; у вращающейся чёрной дыры тень была бы слегка сплюснута, а диск доходил бы ближе.
• Температура выбрана нами: около 5000 K в самой горячей точке, чуть ниже, чем на поверхности Солнца, чтобы диск светился в видимом свете — белым и жёлтым там, где горячее всего, оранжевым и красным там, где прохладнее.
• У настоящих Стрельца A* и M87* такого яркого диска нет. Они поглощают мало газа, а то, что снял Телескоп горизонта событий, — это радиоизлучение тонкого горячего газа вокруг них; яркое кольцо на этих снимках возникает из-за того же искривления света. Диски вроде этого светятся вокруг чёрных дыр, которые быстро питаются, — например, квазаров, — и они горячее.
• Полосы на диске нарисованы, чтобы было видно, как движется газ; каждое кольцо газа вращается со своей настоящей скоростью. Диск показан до 14 радиусов горизонта; дальше он продолжался бы, холоднее и тусклее.
• Звёзды позади тоже условные, но их свет искривляется так же.

Источники

• Стрелец A*: масса 4,30 млн масс Солнца и расстояние 8277 парсек (27 000 световых лет) — GRAVITY Collaboration, «Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits», A&A 657, L12 (2022). Кольцо 51,8 ± 2,3 микросекунды дуги — Event Horizon Telescope Collaboration, ApJL 930, L12 (2022).
• M87*: масса 6,5 ± 0,7 млрд масс Солнца, расстояние 16,8 мегапарсека (55 млн световых лет), кольцо 42 ± 3 микросекунды дуги — Event Horizon Telescope Collaboration, «First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole», ApJL 875, L1 (2019).
• Диск: I. D. Novikov & K. S. Thorne, в 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).
• Цвета светящегося газа: функции цветового соответствия CIE 1931 в аппроксимации C. Wyman, P.-P. Sloan & P. Shirley, JCGT 2(2), 1 (2013).