Dlaczego na tym zdjęciu czarnej dziury występują nierówne jasne obszary?

Na niedawno opublikowanym zdjęciu czarnej dziury pokazanej powyżej, która została utworzona przy użyciu danych z EHT, dlaczego dolny region jest jaśniejszy niż powyższy? Czy to z powodu obrotu dysku akrecyjnego? Jaka jest również orientacja dysku akrecyjnego? Czy patrzymy na to z góry?

Nie, nie widzisz kształtu dysku akrecyjnego. Chociaż jego płaszczyzna jest prawie taka jak na zdjęciu, jest znacznie większa i słabsza niż widoczny pierścień. Przyczyną tej asymetrii jest prawie w całości efekt wiązki Dopplera i wzmocnienia promieniowania powstającego w materii poruszającej się z relatywistycznymi prędkościami bardzo blisko czarnej dziury. To z kolei jest prawie całkowicie kontrolowane przez orientację spinu czarnej dziury . Czarna dziura zamiata materiał i pola magnetyczne prawie niezależnie od orientacji dysku akrecyjnego.

Poniższe zdjęcia z papieru z teleskopu piątego zdarzenia wyjaśniają.

Czarna strzałka wskazuje kierunek wirowania czarnej dziury. Niebieska strzałka wskazuje początkowy obrót przepływu akrecyjnego. Strumień M87 jest mniej więcej wschodni-zachodni (rzutowany na stronę), ale prawa strona wskazuje na Ziemię. Zakłada się, że wektor spinowy czarnej dziury jest z nim wyrównany (lub przeciwny).

Dwa wykresy po lewej stronie zgadzają się z obserwacjami. Łączy je to, że wektor spinowy czarnej dziury znajduje się głównie na stronie (nie jest wyrównany względem strumienia). Gaz jest zmuszany do obracania się w ten sam sposób i powoduje rzutowany ruch relatywistyczny w kierunku nas na południe od czarnej dziury i od nas na północ od czarnej dziury. Reszta dopingu i promienia Dopplera.

Jak mówi gazeta:

umiejscowienie strumienia szczytowego w pierścieniu jest kontrolowane przez spin czarnej dziury: zawsze leży około 90 stopni przeciwnie do ruchu wskazówek zegara od rzutu wektora spinowego na niebo.

Istnieje kilka ostatnich informacji, które są warte aktualizacji odpowiedzi (pomimo trudności z pisaniem MathJax na moim telefonie). Cytowałem minimalnie, ponieważ nie poprawiłbym tego, co opublikowali ci naukowcy. Poprzednie zmiany pozostają pod tym dodatkiem.

W artykule „ Pomiar spinu czarnej dziury M87 od obserwowanego skręconego światła ” (16 kwietnia 2019 r.) Autorstwa Fabrizio Tamburini, Bo Thidé i Massimo Della Valle, wyjaśniają na stronie 2:

... Techniki obrazowania zastosowane do tego zestawu danych ujawniają obecność asymetrycznego pierścienia z obrotem zgodnie z ruchem wskazówek zegara i „geometrią półksiężyca”, która wykazuje wyraźne obniżenie jasności centralnej. Wskazuje to na źródło zdominowane przez soczewkową emisję otaczającą cień czarnej dziury.

Z analizy dwóch zestawów danych otrzymujemy parametry asymetrii = 1,417 dla epoki 1 i = 1,369 dla epoki 2. Dają one uśrednioną asymetrię w widmie spiralnym = 1,393 ± 0,024 zgodnie z tym naszych symulacji numerycznych, = 1.375, częściowo niespójnego światła emitowanego przez pierścień Einsteina czarnej dziury Kerra z0,9 ± 0,1 , co odpowiada energii obrotowej zerg , który jest porównywalny z energią promieniowaną przez najjaśniejsze kwazary (~ 500 bilionów$q_1$$q_2$$\bar{q}$$q_{num}$$\boldsymbol{a} \textbf{~}\!$ $^{[10]}$$\textbf{10}{^\textbf{64}}\!$ $\odot$) w skali czasowej Gyr (miliard lat) i nachylenie = 17 ° między zbliżającym się strumieniem a linią wzroku, z momentem kątowym przepływu akrecyjnego i czarnej dziury w kierunku przeciwnym, pokazując obrót zgodnie z ruchem wskazówek zegara, jak opisano w Odniesieniu . 5$i$

Ten wynik jest w dużej mierze zgodny z wynikami analizy obrazów rurociągu odniesienia wykresów amplitudowych i fazowych dla DIFMAP z 11 kwietnia 2017 r. Przy = 1,401 , EHT = 1,361 i SMILI, = 1,319 , podając dla tego dnia uśrednioną wartość = 1.360, która odbiega od 0,09 od wartości z epoki 2 oszacowanej za pomocą TIE, a > 0 potwierdza obrót w prawo. Widma spiralne przedstawiono na ryc. 2.$q$$q$$q$[ 6 ] ˉ q$^{[6]}$$\bar{q}$$q$

Następnie określa się parametr obrotu , porównując parametry uzyskane przez interpolację liniową z parametrem asymetrii różnych modeli, jak podano w numerycznym przykładzie tabeli I dla różnych wartości parametrów nachylenia i obrotu i . Wyniki przedstawiono na ryc. 1.$a$$q$$i$$q$

[1]Fabrizio Tamburini, Bo Thidé, Gabriel Molina-Terriza i Gabriele Anzolin, „Skręcanie światła wokół wirujących czarnych dziur”, Nature Phys. 7, 195–197 (2011).
[4]EHT Collaboration i wsp., „Obrazowanie centralnej supermasywnej czarnej dziury”, Astrophys. J. Lett. 875, L4 (52) (2019), Wyniki pierwszego teleskopu Horizon Event M87 IV.
[5]EHT Collaboration i wsp., „Fizyczne pochodzenie pierścienia asymetrycznego”, Astrophys. J. Lett. 875, L5 (31) (2019), Wyniki pierwszego teleskopu Horizon Event M87 V.
[6]EHT Collaboration i wsp., „Cień i masa centralnej czarnej dziury”, Astrophys. J. Lett. 875, L6 (44) (2019), Wyniki pierwszego teleskopu Horizon Event M87 VI.
[10]Demetrios Christodoulou i Remo Ruffini, „Odwracalne transformacje naładowanej czarnej dziury”, Phys. Rev D 4, 3552–3555 (1971).
[29]Bin Chen, Ronald Kantowski, Xinyu Dai, Eddie Baron i Prasad Maddumage, „Algorytmy i programy silnego soczewkowania grawitacyjnego w czasoprzestrzeni Kerra, w tym polaryzacja”, Astrophys. J. Suppl. Ser. 218,4 (2015).

Liczby:

Rycina 1. Wyniki eksperymentalne . Składniki pola wzdłuż kierunku obserwatora i widma spiralnego uzyskane metodą TIE dla epoki 1 i epoki 2. Asymetria między składowymi = 1 i = -1 w obu widmach spiralnych ujawnia obrót czarnej dziury w M87. Wskazuje również, że wir elektromagnetyczny zrekonstruowany na podstawie analizy TIE natężeń pola elektromagnetycznego wyodrębnionych z temperatury jasności w skończonej szerokości pasma częstotliwości ma elementy wzdłuż kierunku propagacji do obserwatora, które są kompatybilne ze skręconym soczewkowaniem czarnej dziury o = 0,9 ± 0,1 obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara z obrotem skierowanym w kierunku przeciwnym do Ziemi i pierścieniem Einsteina o promieniu grawitacyjnym$m$$m$$a$$R_g$= 5, jak wskazano w analizie EHT zdominowanej przez niespójną emisję. We wszystkich dniach średnice cech pierścienia obejmują wąski zakres 38–44 µ łuków, a zaobserwowana szczytowa temperatura jasności pierścienia wynosi ∼ 6 × 10 K. Pozostałe składniki ( i ) pola EM pochodzącego z równań TIE nie wykazują dominującego komponentu OAM. Jest to oczekiwane .$T$$^9$$^{[6]}$$x$$y$$^{[1]}$

Ryc. 2. Wyniki analiz danych DIFMAP, EHT i SMILI oraz symulacji numerycznych z KERTAP . Pierwsze trzy wstawki pokazują eksperymentalne widma spiralne uzyskane z trzech obrazów rurociągu odniesienia dla 11 kwietnia 2017 r. Z SMILI, obrazowania EHT i DIFMAP . Reprezentują amplitudę i fazę widzialności jako funkcję linii podstawowej wektora. We wszystkich zestawach danych parametr asymetrii, stosunek między pikami = 1 i = -1 w widmach spiralnych, wynosi > 1, wskazując obrót w prawo: stwierdzono, że czarna dziura obraca się w kierunku przeciwnym do Ziemi i ma nachylenie między zbliżającym się odrzutowcem a linią pola widzenia$^{[4]}$$m$$m$$q$$i$= 17 ° (równoważne podobnej geometrii z nachyleniem = 163 °, ale gdzie pęd kątowy przepływu akrecyjnego i BH jest przeciwny) ( lewy ). Czwarty wstawka spiral Widmo numerycznej symulacji z KERTAP otrzymano z znormalizowanej intensywności i fazy składnikiem pola promieniowania emitowanego z przestrzennie rozwiązane obrazu dysku akrecji czarnych dziur dominuje thermalized emisji z gamma = 2. Spójność χ emisji promieniowania charakteryzuje się stosunkiem między = 0 i$i$ [ 29 ] z$^{[29]}$$z$$m$$m$= 1 piki w widmach spiralnych. Im niższe χ, tym większa spójność emisji. Eksperymentalne spiralne widma SMILI, obrazowania EHT i DIFMAP wykazują wyższą spójność emisji promieniowania (χ = 1.198, χ = 1.798) i (χ = 1.107) w odniesieniu do symulowanego modelu prostego termicznego dysku akrecyjnego o widmie mocy Γ = 2 (χ = 5.029) i w odniesieniu do tego uzyskanego w rekonstrukcji TIE (χ = 13,745 i χ = 14.649) na ryc. 1. Nawet jeśli asymetriasmili EHT DIFMAP KERTAP EP1 EP2 Q$_\text{SMILI}$$_\text{EHT}$$_\text{DIFMAP}$$_\text{KERTAP}$$_\text{ep1}$$_\text{ep2}$$q$ jest dobrze zachowany, metodę TIE można ulepszyć przez kolejne akwizycje danych frontu falowego, oddzielone znacznie krótszym interwałem czasowym niż jeden dzień, a zatem może dostarczyć lepszych informacji na temat emisji źródła.

Ten artykuł zawiera wiele dodatkowych informacji i ilustracji, które warto przejrzeć. Dziękuję Jackowi R. Woodsowi za link, który doprowadził mnie do powyższych informacji.

Poprzednia edycja :

W artykule: „ Wyniki pierwszego teleskopu Horizon Event M87. V. Fizyczne pochodzenie pierścienia asymetrycznego ”, (10 kwietnia 2019 r.), Autor: Event Horizon Telescope Collaboration, Kazunori Akiyama, Antxon Alberdi, Walter Alef, Keiichi Asada, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, David Ball, Mislav Baloković, John Barrett i in., W jednym z kilku ostatnio opublikowanych artykułów wyjaśniają:

(4) Pierścień jest jaśniejszy na południu niż na północy. Można to wyjaśnić kombinacją ruchu w źródle i wiązce Dopplera. Jako prosty przykład rozważamy świecący, optycznie cienki pierścień obracający się z prędkością v i wektorem pędu nachylonym pod kątem widzenia i> 0 ° do linii wzroku. Następnie zbliżająca się strona pierścienia jest wzmocniona przez Dopplera, a strona cofająca się jest przyciemniona, wytwarzając kontrast jasności powierzchni jedności rzędu, jeśli v jest relatywistyczny. Zbliżająca się strona dużego odrzutowca w M87 jest zorientowana na zachód-północny zachód (kąt położenia w księdze VI nazywa się to ) lub w prawo i lekko w górę obrazu.$\mathrm{PA}\approx 288^\circ ;$${\mathrm{PA}}_{\mathrm{FJ}}$

Rycina 5 z tego artykułu jest zawarta w odpowiedzi Roba Jeffriesa.

Wniosek, do którego częściowo dochodzą, jest następujący:

„... Wyniki tego porównania są zgodne z hipotezą, że kompaktowa emisja 1,3 mm w M87 powstaje w ciągu kilku${r}_{{\rm{g}}}$czarnej dziury Kerra i że struktura pierścieniowa obrazu jest generowana przez silne soczewkowanie grawitacyjne i wiązkę Dopplera. Modele przewidują, że asymetria obrazu zależy od wyczucia wirowania czarnej dziury. Jeśli ta interpretacja jest poprawna, wektor spinowy czarnej dziury w M87 wskazuje na Ziemię (czarna dziura obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara na niebie). Modele przewidują również, że istnieje silny strumień energii skierowany z dala od biegunów czarnej dziury i że ten strumień energii jest zdominowany elektromagnetycznie. Jeśli modele są poprawne, wówczas silnik centralny dla odrzutowca M87 jest napędzany przez elektromagnetyczną ekstrakcję darmowej energii związanej ze spinem czarnej dziury w procesie Blandford – Znajek. ”.

Pierwszy szkic :

Artykuł: „ Ergoregion niestabilność egzotycznych zwartych obiektów: zakłócenia elektromagnetyczne i grawitacyjne oraz rola absorpcji ” (15 lutego 2019 r.) Autorstwa Elisy Maggio, Vitor Cardoso, Sama R. Dolana i Paolo Pani wyjaśnia, że ​​jest to spowodowane rotacją superradiancja na stronie 10:

„... niestabilność można zrozumieć w kategoriach fal uwięzionych w barierze fotonowo-sferycznej i wzmocnionych przez rozpraszanie naddźwiękowe R. Brito, V. Cardoso i P. Pani, Lect. Notes Phys. 906 , s. 1 (2015), arXiv: 1501.06570 .$^{[43]}$
[43]

W artykule „ Superradiance ” (powyżej) jest znacznie dłuższy, ale może znacznie bardziej przystępny. Na stronie 38, gdzie wyjaśniają proces Penrose'a , przedstawiają schemat, który prawdopodobnie ułatwia zrozumienie tego:

„Rysunek 7: Obrazkowy widok pierwotnych procesów Penrose'a. Cząstka o energii E rozpada się w ergosferze na dwie cząstki, jedna o energii ujemnej E <0, która wpada do BH, podczas gdy druga cząstka ucieka w nieskończoność z energią wyższa niż pierwotna cząstka, E > E . ”.$_0$2 1 0$_2$$_1$$_0$

Od strony 41:

„Rysunek 8: Analogia karuzelowa procesu Penrose'a. Ciało spada prawie od spoczynku do obracającego się cylindra, którego powierzchnię spryskuje się klejem. Na powierzchni korpus jest zmuszony do współobrotu z cylindrem (analogicznie dlatego BH ergosfera, powierzchnia, za którą żaden obserwator nie może pozostać nieruchomy w odniesieniu do nieskończoności). Negatywne stany energii ergoregionu są odtwarzane przez energię potencjalną związaną z lepką powierzchnią. Jeśli teraz połowa obiektu (w czerwonawym) jest odłączona od pierwszego w połowie (żółtawy) osiągnie nieskończoność z większą (kinetyczną) energią niż początkowo, wydobywając energię obrotową z układu. ”.

Kolejny bardziej skomplikowany model, uważany za wykraczający poza to, o co pytano, od strony 46:

„Rycina 9: Widok ilustrujący różne procesy kolizji Penrose'a. Po lewej: cząstki początkowe z zachodzącym pędem promieniowym (p <0 i p <0). Cząstka 3 ma początkowy pęd promieniowy, ale ostatecznie znajduje punkt zwrotny i ucieka w nieskończoność. Maksymalna wydajność okazała się być dość skromna η ∼ 1,5 . Po prawej: cząstki początkowe z p > 0 i p <0. W tym przypadek cząstki 1 musi mieć p > 0 wewnątrz ergosfery. Dla tego procesu wydajność może być nieograniczona dla ekstremalnych BH .$^r _1$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]T. Piran i J. Shaham, „Upper Bounds on Collisional Penrose Processes near Rotating Black Hole Horizons”, Phys.Rev. D16 (1977) 1615–1635.

[169]T. Harada, H. Nemoto i U. Miyamoto, „Górne granice emisji cząstek w wyniku zderzenia i reakcji wysokoenergetycznej w pobliżu maksymalnie obracającej się czarnej dziury Kerra”, Phys.Rev. D86 (2012) 024027, arXiv: 1205.7088 [gr-qc].

[170]M. Bejger, T. Piran, M. Abramowicz i F. Hakanson, „Collisional Penrose process near the horyzont of extreme Kerr black holes”, Phys.Rev.Lett. 109 (2012) 121101, arXiv: 1205.4350 [astro-ph.HE].

[171]O. Zaslavskii, „O energetyce zderzeń cząstek w pobliżu czarnych dziur: efekt BSW kontra proces Penrose'a”, Phys.Rev. D86 (2012) 084030, arXiv: 1205.4410 [gr-qc].

[172] JD Schnittman, „Zrewidowana górna granica wydobycia energii z czarnej dziury Kerra”, arXiv: 1410.6446 [astro-ph.HE].

[173] E. Berti, R. Brito i V. Cardoso, „Ultra-wysokoenergetyczne odpady z kolizyjnego procesu Penrose'a”, arXiv: 1410.8534 [gr-qc].

Istnieje streszczenie na stronie 170 (nigdzie na końcu artykułu), które wyjaśnia:

„W teoriach grawitacyjnych superradiancja jest ściśle związana z przyspieszeniem pływowym, nawet na poziomie newtonowskim. Relatywistyczne teorie grawitacyjne przewidują istnienie BH, rozwiązań próżni grawitacyjnej, których horyzont zdarzeń zachowuje się jak jednokierunkowa lepka membrana. Pozwala to na występowanie naddźwięków w czasoprzestrzeni BH , a także w celu wydobycia energii z próżni nawet na poziomie klasycznym. Gdy uwzględni się efekty półklasyczne, naddźwięk występuje również w konfiguracjach statycznych, jak w przypadku promieniowania Hawkinga z BH Schwarzschilda.

Skuteczność nadsadowego rozpraszania GW przez spinning (Kerr) BH może być większa niż 100%, a zjawisko to jest ściśle związane z innymi ważnymi mechanizmami związanymi z wirowaniem zwartych obiektów, takimi jak proces Penrose'a, niestabilność ergoregionu, Blandford-Znajek efekt i niestabilność CFS. Superradiancja rotacyjna może być trudna do zaobserwowania w laboratorium, ale jej odpowiednik BH jest związany z szeregiem interesujących efektów i niestabilności, które mogą pozostawić ślad obserwacyjny. Zaprezentowaliśmy ujednolicone podejście do zjawisk naddźwiękowych BH, w tym naładowanych BH, wyższych wymiarów, niesymptotycznie płaskich czasoprzestrzeni, analogicznych modeli grawitacji i teorii poza GR. ”.

Wierzę, że widzimy jeden z efektów dysku akrecyjnego obracającego się z bardzo dużymi prędkościami. Nazywa się to wiązaniem relatywistycznym i występuje, ponieważ cząstki (w tym przypadku materia w dysku akrecyjnym), które poruszają się z prędkościami relatywistycznymi (powiedzmy w górę od .2c), mają tendencję do preferencyjnego emitowania promieniowania w stożku w kierunku ruchu .

To sugeruje, że materia na dole obrazu (najjaśniejsze plamy) leci w naszą stronę, a ciemniejsze części oddalają się. Ponieważ czarna dziura ma tendencję do wypaczania światła wokół siebie, nie jestem pewien na podstawie zdjęcia orientacji dysku akrecyjnego.