Чорна діра зблизька: інтерактивна модель

Світло, що проходить поблизу чорної діри, викривляється її гравітацією. Для кожної точки екрана ця модель простежує промінь світла назад від вашого ока повз чорну діру й знаходить, звідки він почався: з тонкого диска гарячого газу, що обертається навколо чорної діри, із зорі далеко позаду або нізвідки — якщо промінь падає всередину.

Що ви бачите

• Тінь — темна середина, де промені закінчуються всередині чорної діри. Вона в 2,6 раза ширша за горизонт подій — межу, з якої ніщо не вибирається.
• Дальня сторона диска, вгорі та внизу — світло від частини диска за чорною дірою огинає її. Над верхом ви бачите верхню поверхню дальньої сторони, під низом — її нижню поверхню.
• Фотонне кільце — тонке яскраве кільце на краю тіні: світло, яке обійшло чорну діру один чи більше разів, перш ніж дійшло до вас.
• Один бік яскравіший — біля внутрішнього краю газ рухається з половинною швидкістю світла. З боку, що наближається до вас, його світло яскравіше й синіше; з боку, що віддаляється, — тьмяніше й червоніше (ефект Доплера).
• Тьмяніша, червоніша середина — світло, що вибирається з гравітаційного поля чорної діри, втрачає енергію (гравітаційне червоне зміщення).
• Внутрішній край — газ не може обертатися ближче ніж на три радіуси горизонту. Усередині цієї межі він падає за один оберт і майже не випромінює світла.

Як це обчислюється

Кожен промінь іде точним шляхом світла навколо чорної діри, що не обертається, за загальною теорією відносності Ейнштейна (розв’язок Шварцшильда). Диск — тонкий диск, як його описали Новіков і Торн: його температура на кожній відстані від центра випливає з їхньої формули, найгарячіше — приблизно на 4,8 радіуса горизонту. Колір кожної точки — це світіння газу такої температури, зсунуте ефектом Доплера й гравітацією. Кожне кільце газу обертається з власною орбітальною швидкістю; годинник показує час далекого спостерігача, а світло від різних частин диска доходить до вас за різний час.

Чорна діра виглядає однаково за будь-якої маси: важча — просто більша й повільніша. Тому Стрілець A* і M87* дають однакову картину — порівняйте розміри й часи в їхніх картках.

Що спрощено

• Чорна діра не обертається. Наскільки швидко обертаються Стрілець A* і M87*, виміряно погано; обертова чорна діра мала б трохи сплюснуту тінь і диск, що сягає ближче.
• Температуру обрали ми: близько 5000 K у найгарячішій точці, трохи холодніше за поверхню Сонця, щоб диск світився у видимому світлі — білим і жовтим там, де найгарячіше, оранжевим і червоним там, де прохолодніше.
• Справжні Стрілець A* і M87* не мають такого яскравого диска. Вони поглинають мало газу, а те, що зобразив Телескоп горизонту подій, — це радіосвітло від тонкого гарячого газу навколо них; яскраве кільце на цих зображеннях походить від того самого викривлення світла. Такі диски світяться навколо чорних дір, що швидко живляться, як-от квазари, — і вони гарячіші.
• Смуги на диску вигадані, щоб ви могли бачити рух газу; кожне кільце газу обертається зі своєю справжньою швидкістю. Диск показано до 14 радіусів горизонту; далі він тягнувся б, холодніший і тьмяніший.
• Зорі позаду теж вигадані, але їхнє світло викривляється так само.

Джерела

• Стрілець A*: маса 4,30 мільйона Сонць і відстань 8277 парсеків (27 000 світлових років) — GRAVITY Collaboration, «Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits», A&A 657, L12 (2022). Кільце 51,8 ± 2,3 мікросекунди дуги — Event Horizon Telescope Collaboration, ApJL 930, L12 (2022).
• M87*: маса 6,5 ± 0,7 мільярда Сонць, відстань 16,8 мегапарсека (55 мільйонів світлових років), кільце 42 ± 3 мікросекунди 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, у 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).
• Кольори розжареного газу: функції відповідності кольорів CIE 1931 в апроксимації C. Wyman, P.-P. Sloan & P. Shirley, JCGT 2(2), 1 (2013).