Dlaczego na tym zdjęciu czarnej dziury występują nierówne jasne obszary?

36

wprowadź opis zdjęcia tutaj

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?

Kushal Bhuyan
źródło
1
Świetne pytanie! Właśnie widziałem ten film, ale pobiłeś mnie :-)
uhoh
1
Kolejny naprawdę pomocny film youtube.com/watch?v=zUyH3XhpLTo&t=346s
josh

Odpowiedzi:

37

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.

Względna orientacja przepływu spinowego i akrecyjnego

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.

Rob Jeffries
źródło
Twoja odpowiedź jest bardzo pomocna i ułatwia czytanie gazet, dzięki! Ewentualnie odpowiedzialny (?): Co definiuje płaszczyznę dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury?
uhoh
10

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 bilionówq1q2q¯qnuma~ [10]1064 ) 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 . 5i

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.qqq[ 6 ] ˉ q[6]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.aqiq

[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

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 grawitacyjnymmmaRg= 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 .T9[6]xy[1]

Rysunek 2

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]mmqi= 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 ii [ 29 ] z[29]zmm= 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 QSMILIEHTDIFMAPKERTAPep1ep2q 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.PA288;PAFJ

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 kilkurgczarnej 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:

Proces Penrose'a

„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 . ”.02 1 0210

Od strony 41:

Uproszczone wyjaśnienie Penrose

„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:

Collisional Penrose Process

„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 .1rr 2 [168,169,170,171] r 1 r 2 r 1 [172,173]2r[168,169,170,171]1r2r1r[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. ”.

Obrabować
źródło
1
Artykuł (Tamburini i in. / 04/18/19) z dodatkowymi informacjami o spinie czarnej dziury M87 jest pokazany w tym filmie You Tube youtube.com/watch?v=0osP65BRoYk . Prezenter wideo wyjaśnia, że ​​spin z czarnej dziury wynosi z naszego punktu widzenia około 90% cw kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i jest niezależny od obrotu dysku akrecyjnego.
Jack R. Woods
@ JackR.Woods Dziękuję bardzo za ten przydatny link. Zaktualizowałem odpowiedź i podałem Ci źródło. Rzeczywiście, ogromna energia spinu BH przewyższa jakikolwiek efekt dysku akrecyjnego, papier ten dostarcza również szczegółowych informacji na temat obrotu i jego orientacji.
Rob
8

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.

Jim421616
źródło
Zgadłem. Że dolna jasna część przesuwa się (obraca) w kierunku ziemi. Ale powiedzieli, że obrót odbywa się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, co nie mówiąc już wiele. Przejdę również przez drugą odpowiedź lub dokumenty. Ale może masz dalsze szczegóły.
Alchimista