На відомому зображенні M87* видно яскраве кільце й темний центр. Але якщо чорна діра не випускає світла, що саме потрапило на зображення? Відповідь починається з розрізнення чорної діри, її межі та світла навколо неї.
Чорна діра — область простору-часу, зсередини якої світло й інші сигнали не можуть дістатися до далекого зовнішнього світу. Її межа називається горизонтом подій. Це не отвір у стіні й не поверхня з твердої речовини. Це межа можливості передати щось назовні. EHT: визначальна причинна межа.
За горизонтом немає шляху для повідомлення назовні
Навколо Землі можна спрямувати прожектор від планети, й його світло піде геть. Біля чорної діри тяжіння пов’язане з настільки зміненою геометрією простору-часу, що частина напрямків світла веде назад. Усередині горизонту жоден майбутній шлях світла не виводить у далекий зовнішній світ. Масивний корабель не може обігнати світло й виправити ситуацію потужнішим мотором.
Світло при цьому не мусить локально зупинятися чи ставати повільнішим за c у вакуумі. Змінюється те, куди можуть вести його шляхи в просторі-часі. Звична картина м’яча, якому бракує початкової швидкості й який розвертається в повітрі, тут лише обмежена підказка. Для опису горизонту потрібна загальна теорія відносності. OpenStax: від колапсу до горизонту.
Горизонт не є матеріальною оболонкою. Падіння через нього не означає зіткнення з невидимою стінкою. У нашому означенні важливий однобічний зв’язок: ззовні можна надіслати сигнал усередину, а звідти — вже не повернути його далекому адресатові. Умови для тіла біля горизонту залежать також від маси чорної діри та її оточення; «немає стінки» не означає «безпечна подорож».
Горизонт, сингулярність і тінь відповідають на різні запитання
Для простої моделі візьмемо необертову, незаряджену чорну діру Шварцшильда. Її горизонт сферичний. У центрі класичний розв’язок має сингулярність: кривина перестає мати скінченне значення. Це не доведена фотографією крапка нескінченної густини. Передбачення сигналізує, що класичний опис там не дає повної фізичної відповіді; квантова теорія гравітації залишається відкритим завданням. NASA: сингулярність і межі теорії.
А тінь — темна область у зображенні неба, яка виникає через захоплення світла та викривлення його шляхів. Її видимий розмір не дорівнює простому діаметру горизонту: гравітаційне лінзування змінює картину. На схемі розділено три поняття; не суміщай ці малюнки як карту з єдиним масштабом.
Три поняття, три різні ролі
Горизонт подій
Межа області, звідки сигнал не повернеться до далекого спостерігача. Не тверда оболонка.
Сингулярність моделі
У центрі ідеальної класичної моделі опис кривини стає сингулярним. Це не спостережена крапка.
Тінь на небі
Знижена яскравість у картині навколишнього випромінювання через захоплення й викривлення світла.
Горизонт визначає, чи може повідомлення вийти; сингулярність позначає проблему внутрішнього класичного розв’язку; тінь описує розподіл яскравості для зовнішнього спостерігача. Спостереження, узгоджені з наявністю горизонту, не дають автоматично знання всіх деталей центру. Реальні астрофізичні чорні діри можуть обертатися; проста модель не описує всі їхні властивості.
Відгалуження · З формулоюНеобов’язково · можна пропустити
Скільки кілометрів у горизонті?
Для необертової незарядженої моделі радіус горизонту
r_(s) = (2GM)/((c)^(2)),
де G — гравітаційна стала, M — маса, c — швидкість світла у вакуумі. Це ареальний радіус: сфера горизонту має площу 4π(r_(s))^(2). Не слід трактувати його як звичайну виміряну лінійкою відстань від сингулярності до оболонки.
За округлених G ≈ 6,67 × (10)^( − 11) (м)^(3)/(кг ⋅ (с)^(2)), сонячної маси M_(⊙) ≈ 1,99 × (10)^(30) кг і c ≈ 3,00 × (10)^(8) м/с виходить приблизно 2,95 км на одну сонячну масу. Для умовних 10M_(⊙) це близько 29,5 км радіуса, або 59 км діаметра. Подвоєння маси подвоює цей радіус, а не його квадрат. Одиниці GM/(c)^(2) дають метри. OpenStax: формула й округлені сталі.
Це розрахунок для обраного ідеального розв’язку, не вимір конкретної діри й не сценарій, за яким наше Сонце реально перетвориться на чорну діру. Формула масштабу також не визначає безпосередньо розмір кільця на зображенні EHT. Ohio State: зміст радіуса Шварцшильда, с. 1.
Кільце світиться зовні, а не зсередини чорної діри
Гарячий газ навколо чорної діри може випромінювати перед тим, як перетне горизонт. Обертання, магнітні поля та гравітаційне лінзування формують спостережуване світло. Частина променів потрапляє всередину, інша дістається телескопів. Якщо речовини мало, яскравого диска може не бути: він не є обов’язковою частиною визначення чорної діри. NASA: акреційний диск.
10 квітня 2019 року EHT оприлюднив перше зображення оточення M87* на масштабах горизонту, використавши радіоспостереження квітня 2017 року. Дані мережі телескопів об’єднали й обчислювально відновили розподіл радіояскравості. Це реальне астрономічне спостереження, але не фотографія твердої поверхні горизонту звичайною камерою. ESO: спостереження, обробка й дати.
Первинна стаття описує яскраве асиметричне кільце та центральне зниження яскравості, узгоджене з очікуваною тінню чорної діри. Методи відновлення й порівняння з фізичними моделями важливі для інтерпретації. Художня обкладинка цієї статті не є даними EHT і не замінює їх. EHT: спостереження та відновлення зображень, розділи 4–5.
Чорний колір не надає нескінченного радіуса захоплення
Уявімо неможливу в природному житті Сонця заміну: замість нього з’являється необертова чорна діра тієї самої маси, без викиду речовини й поштовху. Чи впаде Земля одразу всередину? Ні. На земній відстані гравітаційна дія визначається тією самою масою, і орбіта не потребує негайного падіння. Зникнення сонячного тепла було б іншою катастрофою. OpenStax: міф про всмоктування.
Чорна діра робить можливим надзвичайне наближення до компактної маси. Саме поблизу неї стають вирішальними релятивістська геометрія й умови захоплення. Вона не тягне всі об’єкти Всесвіту всередину незалежно від відстані та їхнього руху.
Тепер відповідь на початкову загадку точніша: ми бачимо випромінювання оточення й його змінену гравітацією картину; горизонт — межа повернення сигналів, а не яскраве кільце. Інший шлях виявлення центрального компактного об’єкта — рух зір у центрі Чумацького Шляху.