M87 Buraco negro. Por que podemos ver a escuridão?

Então, como o título afirma, por que somos capazes de realmente ver a 'escuridão' do buraco negro? Entendo que o que realmente estamos vendo é o horizonte de eventos ou disco de acréscimo. Mas isso não deve se estender por todo o caminho? Certamente o buraco negro não é uma coisa 2D, então podemos "examiná-lo de cima" (eu uso esse termo livremente, pois obviamente não há instruções no espaço!), Então por que somos capazes de realmente ver a escuridão?

A única coisa em que consigo pensar é que um buraco negro, como o nosso sistema solar, tem algum tipo de eclíptica, que a grande maioria da matéria está orbitando e em qualquer outro lugar simplesmente não há matéria suficiente para que a luz seja visível, tipo, por que não conseguimos ver a nuvem de Oort.

Espero que isso faça sentido, e eu possa estar longe, mas é a única coisa que consigo pensar para explicar isso. Se for esse o caso, poderíamos obter uma imagem semelhante de Sagitário A, visto que poderíamos estar nessa "eclíptica" dela, então com certeza poderíamos apenas ver a matéria aquecida em torno do horizonte de eventos e não a escuridão?

A resposta de Rob Jeffries é excelente, eu só queria adicionar esta imagem tentando explicar a geometria. Aqui, assumo um buraco negro não rotativo (BH); para uma BH rotativa, os números exatos são ligeiramente diferentes.

A esfera do fóton

Os fótons se movem em linhas retas, mas no espaço fortemente curvado em torno de uma BH essas linhas retas parecem curvas. Embora o horizonte de eventos (EH) a uma distância de $r = 2GM/c^2 \equiv r_\mathrm{S}$ (o raio de Schwarzschild ) da BH marque a região da qual nenhum fóton pode escapar se emitido radialmente , fótons em órbita parcialmente tangencial cairão volte para uma distância de $r = 1.5r_\mathrm{S}$ , onde os fótons que viajam totalmente tangencialmente permanecerão na esfera de fótons (embora essa seja uma órbita instável).

A órbita estável mais interna e o disco de acreção

A matéria comum vai espiralar para dentro para o dobro desta distância; portanto, dentro da órbita circular estável mais interna (ISCO) a $r=3r_\mathrm{S}$ , a matéria está praticamente fadada a ser absorvida. Fora desta região, a matéria pode orbitar, formando o disco de acreção , mas como o atrito entre as partículas fará com que elas percam energia, elas se aproximarão lentamente do ISCO, após o que cairão rapidamente na BH. Observe que o M87 BH não possui um disco de acréscimo fino como o descrito no filme Interestelar ; sim uma "nuvem" espessa que cerca a maior parte da BH.

Fótons emitidos tangencialmente apenas fora da esfera de fótons vai espiral em torno dos BH muitas vezes, lentamente aumentando a sua distância, até que finalmente eles escapam a uma distância projetada de $\sqrt{27/4}r_\mathrm{S} \simeq 2.6r_\mathrm{S}$ do BH (por exemplo,Frolov & Novikov 1998).

A sombra

Assim como o caminho dos raios de luz é curvado em torno de BH, também são as linhas de visão de você em direção a BH (você pode pensar em linhas de visão como fótons invertidos). Isso significa que todas as linhas de visão que estão mais próximas do que (uma distância projetada) de $2.6r_\mathrm{S}$ para o BH acabarão eventualmente no EH, mesmo que tenham várias órbitas ao redor do BH. Essas linhas de visão compreendem a chamada sombra ( Falcke et al. (2000) ; Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019a) ,). Por outro lado, ao longo das linhas de visão mais distantes, você vê a radiação emitida pela matéria caindo na BH, tanto na frente quanto atrás dela. E desde as primeiras linhas de visão que nãoterminam no círculo EH a esfera de fótons muitas vezes, essas linhas de visão são realmente caminhos muito longos através da matéria que brilha sua última luz antes de serem engolidos e, portanto, parecem excepcionalmente brilhantes (por exemplo, Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ). Esse anel brilhante do lado de fora da sombra é chamado anel de fótons ou anel de emissão .

O desenho

O desenho abaixo pode ajudar a entender. Todas as linhas vermelhas são linhas de visão em direção a BH. Somente a parte superior apenas pasta a esfera do fóton (e a matéria luminosa por trás). O resto termina no EH e, portanto, parece preto (exceto pela matéria luminosa na frente). Perto do centro, você vê a frente do EH; mais longe você realmente vê a parte de trás do EH; mais adiante, você vê novamente a frente do EH e assim por diante ad infinitum até chegar ao anel de fótons.

A observação

$\sim25$

$^\dagger$

A figura abaixo (da Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019b) ) mostra, da esquerda para a direita, a observação real, um modelo em que você vê o anel de fóton bastante nítido e esse modelo desfocado para coincidir com a resolução da observação.

$^\dagger$

Você precisa pensar em como a luz chegará até você, de onde é produzida perto do horizonte de eventos do buraco negro. A luz produzida entre você e o buraco negro pode chegar até você. A luz produzida imediatamente atrás do buraco negro não pode chegar até você (ou pelo menos não chega nessa direção). A luz produzida em outras posições pode chegar até você através de várias rotas, uma das quais é orbitar o buraco negro e depois seguir em sua direção.

Como resultado disso, há uma concentração da luz observada em um anel aparente ao redor do buraco negro e um círculo escuro (er) dentro dele, que marca a região da qual a luz não pode viajar diretamente para você, mas, em vez disso, cai no preto orifício ou laços ao redor dele. As assimetrias no "anel" do fóton serão causadas pelo movimento orbital relativista do material que tem o efeito de aumentar a emissão na direção direta e também pelo "arrasto de estrutura" causado pela rotação do buraco negro (razão pela qual a sombra é "descentralizado").

Uma descrição bastante acadêmica do fenômeno é dada por Falcke et al. (2000) e Huang et al. (2007) .

Você pode observar os efeitos do "sombreamento" para os buracos negros de Kerr e Schwarzschild neste site .

Os caminhos que a luz leva perto de um buraco negro não são como os que leva no espaço vazio. Basicamente, estamos vendo a "sombra" do buraco negro. Muita da luz que esperamos estar vindo em nossa direção a partir dessa direção específica foi desviada para outro lugar pela gravidade do buraco.

Esse buraco negro tem um disco de acreção, que é um disco de matéria que gira em torno do buraco negro em velocidades extremas, causando seu aquecimento. A cor laranja que você vê na imagem é essa. O assunto parece "mais espesso" de um lado, porque a parte inferior do disco está ligeiramente inclinada em nossa direção. A "escuridão" que você vê é simplesmente o horizonte de eventos que impede a luz dessa região de escapar.