Почему на этой фотографии черной дыры есть неровные яркие области?

На недавно опубликованной фотографии черной дыры, показанной выше, которая была создана с использованием данных EHT, почему нижняя область более яркая, чем предыдущая? Это из-за вращения аккреционного диска? Кроме того, какова ориентация аккреционного диска? Мы смотрим на это в лоб?

Нет, вы не видите форму аккреционного диска. Хотя его плоскость почти такая же, как на картинке, она намного больше и слабее, чем видимое кольцо. Причина такой асимметрии почти полностью связана с доплеровским излучением и усилением излучения, возникающего в веществе, движущемся с релятивистскими скоростями очень близко к черной дыре. Это в свою очередь почти полностью контролируется ориентацией спина черной дыры . Черная дыра поглощает материальные и магнитные поля практически независимо от ориентации любого аккреционного диска.

Картинки ниже с пятого телескопа о горизонте событий проясняют ситуацию.

Черная стрелка указывает направление вращения черной дыры. Синяя стрелка указывает начальное вращение аккреционного потока. Струя M87 более или менее восточно-западная (проецируется на страницу), но правая сторона указывает на Землю. Предполагается, что вектор вращения черной дыры выровнен (или выровнен) с этим.

Два левых графика показывают согласие с наблюдениями. Общим для них является то, что вектор вращения черной дыры находится в основном на странице (анти-выровнен со струей). Газ вынужден вращаться таким же образом, что приводит к проецируемому релятивистскому движению к нам к югу от черной дыры и от нас к северу от черной дыры. Доплеровское усиление и излучение делают все остальное.

Как написано в газете:

расположение пика потока в кольце контролируется вращением черной дыры: оно всегда находится примерно на 90 градусов против часовой стрелки от проекции вектора вращения на небо.

Есть некоторая недавняя информация, которая заслуживает обновления в ответ (несмотря на сложность ввода MathJax на моем телефоне). Я процитировал минимально, поскольку я не улучшил бы то, что опубликовали эти ученые. Предыдущие изменения остаются под этим дополнением.

В статье Фабрицио Тамбурини, Бо Тиде и Массимо Делла Валле « Измерение вращения черной дыры М87 от наблюдаемого закрученного света » (16 апреля 2019 г.) они объясняют на странице 2:

... Методы визуализации, примененные к этому набору данных, показывают наличие асимметричного кольца с вращением по часовой стрелке и "серповидной" геометрической структуры, которая демонстрирует явное снижение центральной яркости. Это указывает на источник, в котором преобладает линзовое излучение, окружающее тень черной дыры.

Из анализа двух наборов данных мы получаем параметры асимметрии = 1.417 для эпохи 1 и = 1.369 для эпохи 2. Они дают усредненную асимметрию в спиральном спектре = 1.393 ± 0.024 в соответствии с этим нашего численного моделирования, = 1,375, частично некогерентного света, испускаемого кольцом Эйнштейна черной дыры Керра с0,9 ± 0,1 , что соответствует энергии вращения изэрг , что сравнимо с энергией, излучаемой самыми яркими квазарами (~ 500 трлн$q_1$$q_2$$\bar{q}$$q_{num}$$\boldsymbol{a} \textbf{~}\!$ $^{[10]}$$\textbf{10}{^\textbf{64}}\!$ $\odot$) по шкале времени Gyr (миллиард лет) и наклону = 17 ° между приближающейся струей и линией визирования, причем угловые импульсы аккреционного потока и черной дыры не выровнены, показывая вращение по часовой стрелке, как описано в работе , 5.$i$

Этот результат хорошо согласуется с результатами анализа изображений контрольного трубопровода амплитудных и фазовых графиков для DIFMAP от 11 апреля 2017 года с = 1,401, EHT = 1,306 и SMILI, = 1,319, давая для этого дня усредненное значение = 1,360, которое отклоняется на 0,09 от значения эпохи 2, оцененного с помощью TIE, и > 0, подтверждают вращение по часовой стрелке. Спиральные спектры приведены на рис. 2.$q$$q$$q$[ 6 ] ˉ q q$^{[6]}$$\bar{q}$$q$

Затем определяется параметр вращения путем сравнения полученных с помощью линейной интерполяции параметров с параметром асимметрии различных моделей, как показано в численном примере таблицы I для различных значений параметров наклона и вращения и . Результаты изображены на рис. 1.$a$$q$$i$$q$

[1]Фабрицио Тамбурини, Бо Тиде, Габриэль Молина-Терриза и Габриэле Анзолин, «Скручивание света вокруг вращающихся черных дыр», Nature Phys. 7, 195–197 (2011).
[4]EHT Collaboration и др., «Изображение центральной сверхмассивной черной дыры», Astrophys. J. Lett. 875, L4 (52) (2019), Результаты первого телескопа горизонта событий M87 IV.
[5]EHT Collaboration и др., «Физическое происхождение асимметричного кольца», Astrophys. J. Lett. 875, L5 (31) (2019), Результаты первого телескопа горизонта событий M87 V.
[6]Сотрудничество EHT и др., «Тень и масса центральной черной дыры», Astrophys. J. Lett. 875, L6 (44) (2019), Результаты первого телескопа горизонта событий M87 VI.
[10]Деметриос Христодулу и Ремо Руффини. Обратимые превращения заряженной черной дыры. Физ. Rev. D 4, 3552–3555 (1971).
[29]Бин Чен, Рональд Кантовски, Синью Дай, Эдди Барон и Прасад Маддумаж, «Алгоритмы и программы для сильного гравитационного линзирования в пространстве-времени Керра, включая поляризацию», Astrophys. J. Suppl. Многосерийный телефильм 218, 4 (2015).

Цифры:

Рисунок 1. Экспериментальные результаты . Компоненты поля вдоль направления наблюдателя и спиральных спектров, полученные с помощью метода TIE для эпох 1 и эпохи 2. Асимметрия между компонентами = 1 и = −1 в обоих спиральных спектрах показывает вращение черной дыры в M87. Оно также указывает на то, что электромагнитный вихрь восстанавливается из анализа TIE интенсивностей электромагнитного поля , экстрагированных из яркостной температуры в полосе конечной частоты имеет компоненты вдоль направления распространения к наблюдателю, которые совместимы с крученой линзировании черной дыры с = 0,9 ± 0,1 вращается по часовой стрелке со спином, направленным в сторону от Земли, и кольцом Эйнштейна с гравитационным радиусом$m$$m$$a$$R_g$= 5, как показывает анализ EHT с преобладанием некогерентного излучения. Для всех дней диаметры кольцевых элементов охватывают узкий диапазон 38–44 мкс, а наблюдаемая пиковая температура яркости кольца составляет ∼ 6 × 10 К. Другие компоненты ( и ) электромагнитного поля, полученного из уравнений TIE, не показывают преобладающий компонент OAM. Это ожидается .$T$9 [ 6 ] x y [ 1 ]$^9$$^{[6]}$$x$$y$$^{[1]}$

Рисунок 2. Результаты анализа данных DIFMAP, EHT и SMILI и численного моделирования из KERTAP . Первые три вставки показывают экспериментальные спиральные спектры, полученные из трех изображений опорных трубопроводов за 11 апреля 2017 года из SMILI, EHT-изображений и DIFMAP . Они представляют амплитуду и фазу видимости как функцию базовой линии вектора. Во всех наборах данных параметр асимметрии, соотношение между пиками = 1 и = -1 в спиральных спектрах, составляет > 1, что указывает на вращение по часовой стрелке: обнаружено, что черная дыра имеет свое вращение, направленное в сторону от Земли, и наклон между приближающейся струей и прямой видимости$^{[4]}$$m$$m$$q$$i$= 17 ° (эквивалентно аналогичной геометрии с наклоном = 163 °, но в котором угловой момент аккреционного потока и ЧД не выровнены) ( слева ). Четвертая вставка : спиральный спектр численного моделирования с KERTAP полученный из нормированной интенсивности и фазы компонента поля излучения, испускаемого из пространственно разрешенного изображения аккреционного диска черной дыры, в котором преобладает термическое излучение с Γ = 2. Когерентность χ излучения излучения характеризуется отношением между = 0 и$i$ [ 29 ] zmm SMILI EHT DIFMAP KERTAP ep1 ep2 q$^{[29]}$$z$$m$$m$= 1 пиков в спиральных спектрах. Чем ниже χ, тем выше когерентность в излучении. Экспериментальные спиральные спектры изображений SMILI, EHT и DIFMAP показывают более высокую когерентность в излучении (χ = 1.198, χ = 1.798) и (χ = 1.107) по отношению к моделируемой модели простого термализованного аккреционного диска со спектром мощности Γ = 2 (χ = 5.029) и по отношению к полученной в TIE реконструкции волнового фронта (χ = 13,745 и χ = 14,649) на рис.1. Даже если асимметрия$_\text{SMILI}$$_\text{EHT}$$_\text{DIFMAP}$$_\text{KERTAP}$$_\text{ep1}$$_\text{ep2}$$q$ Хорошо сохранен, метод TIE может быть улучшен путем последовательных сборов данных волнового фронта, разделенных гораздо более коротким временным интервалом, чем один день, и, следовательно, может предоставить лучшую информацию об излучении источника.

Этот документ содержит значительную дополнительную информацию и иллюстрации, которые стоит рассмотреть. Спасибо Джеку Р. Вудсу за ссылку, которая привела меня к приведенной выше информации.

Предыдущее редактирование :

В статье: « Первые результаты телескопа горизонта событий M87. V. Физическое происхождение асимметричного кольца » (10 апреля 2019 г.). Авторы: Телескоп Сотрудничества Горизонта событий, Казунори Акияма, Антонсон Альберди, Вальтер Алеф, Кейити Асада, Ребекка Азулай, Анна-Катрин Бачко, Дэвид Болл, Мислав Балокович, Джон Барретт и др. В одной из нескольких недавно опубликованных статей объясняют:

(4) Кольцо на юге ярче, чем на севере. Это можно объяснить сочетанием движения в источнике и доплеровским излучением. В качестве простого примера мы рассмотрим светящееся оптически тонкое кольцо, вращающееся со скоростью v и вектором углового момента, наклоненным под углом обзора i> 0 ° к лучу зрения. Затем приближающаяся сторона кольца усиливается доплеровским режимом, а отступающая сторона затемняется доплеровским, создавая контраст поверхностной яркости порядка единицы, если v релятивистский. Приближающаяся сторона крупномасштабной струи в M87 ориентирована с запада на северо-запад (угол положения в статье VI это называется ) или вправо и немного вверх на изображении.$\mathrm{PA}\approx 288^\circ ;$${\mathrm{PA}}_{\mathrm{FJ}}$

Рисунок 5 из этого документа включен в ответ Роба Джеффриса.

Вывод, к которому они приходят, частично таков:

"... Результаты этого сравнения согласуются с гипотезой о том, что компактное излучение 1,3 мм в M87 возникает в течение нескольких${r}_{{\rm{g}}}$черной дыры Керра, и что кольцеобразная структура изображения генерируется сильным гравитационным линзированием и доплеровским излучением. Модели предсказывают, что асимметрия изображения зависит от смысла вращения черной дыры. Если эта интерпретация верна, то вектор вращения черной дыры в M87 указывает от Земли (черная дыра вращается по часовой стрелке на небе). Модели также предсказывают, что существует сильный поток энергии, направленный в сторону от полюсов черной дыры, и что этот поток энергии является электромагнитно доминирующим. Если модели верны, то центральный двигатель для струи M87 приводится в действие электромагнитным извлечением свободной энергии, связанной с вращением черной дыры, посредством процесса Бландфорда – Знаека ».

Первый проект :

В статье: « Эргорегионная неустойчивость экзотических компактных объектов: электромагнитные и гравитационные возмущения и роль поглощения » (15 февраля 2019 г.) Элиза Маджио, Витор Кардосо, Сэм Р. Долан и Паоло Пани объясняют, что это происходит из-за вращения Сверхизлучение на странице 10:

«... нестабильность может быть понята с точки зрения волн, захваченных внутри барьера фотонной сферы и усиленных суперрадиантным рассеянием Р. Брито, В. Кардосо и П. Пани, Lect. Notes Phys. 906 , стр.1 (2015), arXiv: 1501.06570 .$^{[43]}$
[43]

В статье « Superradiance » (выше) пока что значительно дольше, может быть, гораздо более доступным. На странице 38, где они объясняют процесс Пенроуза, они предлагают диаграмму, которая, вероятно, облегчает понимание этого:

«Рис. 7. Графическое представление исходных процессов Пенроуза. Частица с энергией E распадается внутри эргосферы на две частицы, одна с отрицательной энергией E <0, которая падает в ЧД, а вторая частица уходит в бесконечность с энергией выше, чем исходная частица, E > E . ".$_0$2$_2$$_1$0$_0$

Со страницы 41:

«Рисунок 8: Карусельная аналогия процесса Пенроуза. Тело падает почти от покоя во вращающийся цилиндр, поверхность которого обрызгивается клеем. На поверхности тело вынуждено вращаться вместе с цилиндром (аналог, следовательно, ЧД). эргосфера, поверхность, за которой ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным относительно бесконечности). Отрицательные энергетические состояния эргорегиона играют потенциальная энергия, связанная с липкой поверхностью. Если теперь половина объекта (красноватого цвета) отделена от первого наполовину (желтоватый), он достигнет бесконечности с большей (кинетической) энергией, чем изначально, извлекая энергию вращения из системы ".

Еще одна более сложная модель, которая, как полагают, выходит за рамки того, что было задано, со страницы 46

"Рисунок 9: Графическое представление различных столкновительных процессов Пенроуза. Слева: начальные частицы с поступающим радиальным импульсом (p <0 и p <0). У частицы 3 есть начальный исходящий радиальный импульс, но в конечном итоге она находит точку поворота и уходит в бесконечность. Показано, что максимальная эффективность для этого весьма скромна η ∼ 1,5 . Справа: исходные частицы с p > 0 и p <0. В этом внутри эргосферы частица 1 должна иметь p > 0. Для этого процесса эффективность может быть неограниченной для экстремальных ЧД .$^r _1$r 2 [168,169,170,171] r 1 r 2 r 1 [172,173]$^r_2$$^{[168, 169, 170, 171]}$$^r_1$$^r_2$$^r_1$$^{[172, 173]}$

[168]Т. Пиран, Дж. Шахам, верхние границы коллизионных процессов Пенроуза вблизи вращающихся горизонтов черной дыры, Phys.Rev. D16 (1977) 1615–1635.

[169]Т. Харада, Х. Немото, У. Миямото, «Верхние пределы эмиссии частиц при столкновении высоких энергий и реакции вблизи максимально вращающейся черной дыры Керра», Phys.Rev. D86 (2012) 024027, arXiv: 1205,7088 [гр-кв].

[170]М. Бейгер, Т. Пиран, М. Абрамович, Ф. Хакансон, “Столкновительный процесс Пенроуза вблизи горизонта экстремальных черных дыр Керра”, Phys.Rev.Lett. 109 (2012) 121101, arXiv: 1205.4350 [astro-ph.HE].

[171]Заславский О.В. Об энергетике столкновений частиц вблизи черных дыр: эффект ЧШВ и процесс Пенроуза // Физ. D86 (2012) 084030, arXiv: 1205,4410 [гр-кв].

[172] JD Schnittman, «Пересмотренный верхний предел извлечения энергии из черной дыры Керра», arXiv: 1410.6446 [astro-ph.HE].

[173] Э. Берти, Р. Брито и В. Кардосо, «Мусор сверхвысокой энергии от столкновительного процесса Пенроуза», arXiv: 1410.8534 [gr-qc].

На странице 170 есть краткое изложение (далеко не в конце статьи), которое объясняет:

«В гравитационных теориях сверхизлучение тесно связано с приливным ускорением даже на ньютоновском уровне. Релятивистские гравитационные теории предсказывают существование ЧД, гравитационных вакуумных решений, горизонт событий которых ведет себя как односторонняя вязкая мембрана. Это позволяет сверхизлучению происходить в пространствах ЧД и извлекать энергию из вакуума даже на классическом уровне. При учете квазиклассических эффектов сверхизлучение возникает также в статических конфигурациях, как в случае излучения Хокинга из ЧД Шварцшильда.

Эффективность суперызлучательного рассеяния ПГ на вращающейся (Керр) ЧД может быть больше 100%, и это явление тесно связано с другими важными механизмами, связанными с вращающимися компактными объектами, такими как процесс Пенроуза, неустойчивость эргорегиона, Блэндфорд-Знаек эффект и нестабильность CFS. Вращательное сверхизлучение может быть сложным для наблюдения в лаборатории, но его аналог ЧД связан с рядом интересных эффектов и нестабильностей, которые могут оставить след наблюдения. Мы представили унифицированную трактовку сверхизлучающих явлений ЧД, включая заряженные ЧД, более высокие измерения, неасимптотически плоское пространство-время, аналоговые модели гравитации и теории за пределами ОТО. "

Я считаю, что мы видим один из эффектов вращения аккреционного диска на очень высоких скоростях. Это называется релятивистским излучением , и это происходит потому, что частицы (в данном случае вещество в аккреционном диске), которые движутся с релятивистскими скоростями (скажем, выше 0,2 с), имеют тенденцию преимущественно излучать свое излучение в конусе в направлении движения ,

Это говорит о том, что материя внизу изображения (самые яркие пятна) движутся к нам, а более темные части уходят. Так как черная дыра имеет тенденцию искажать свет вокруг себя, я не уверен из фотографии ориентации аккреционного диска.