Mengapa ada area terang yang tidak rata dalam foto lubang hitam ini?

Dalam foto lubang hitam yang baru-baru ini dirilis di atas, yang dibuat dengan menggunakan data dari EHT, mengapa wilayah yang lebih rendah lebih terang daripada yang di atas? Apakah karena rotasi disk akresi? Juga apa orientasi dari disk akresi? Apakah kita melihatnya langsung?

Tidak, Anda tidak melihat bentuk disk akresi. Meskipun bidangnya hampir seperti gambar, jauh lebih besar dan lebih redup daripada cincin yang terlihat. Alasan untuk asimetri ini hampir seluruhnya karena Doppler berseri-seri dan meningkatkan radiasi yang timbul dalam materi yang bepergian dengan kecepatan relativistik yang sangat dekat dengan lubang hitam. Ini pada gilirannya hampir seluruhnya dikendalikan oleh orientasi putaran lubang hitam . Lubang hitam menyapu material dan medan magnet hampir terlepas dari orientasi disk akresi.

Gambar-gambar di bawah ini dari makalah teleskop horizon acara kelima membuat semuanya menjadi jelas.

Panah hitam menunjukkan arah putaran lubang hitam. Panah biru menunjukkan rotasi awal dari aliran akresi. Jet M87 lebih kurang Timur-Barat (diproyeksikan ke halaman), tetapi sisi kanan menunjuk ke Bumi. Diasumsikan bahwa vektor spin lubang hitam selaras (atau anti-selaras) dengan ini.

Dua plot sebelah kiri menunjukkan kesepakatan dengan pengamatan. Apa yang mereka miliki adalah bahwa vektor spin lubang hitam sebagian besar ke halaman (anti-sejajar dengan jet). Gas dipaksa berputar dengan cara yang sama dan menghasilkan gerakan relativistik yang diproyeksikan ke arah kita di selatan lubang hitam dan menjauh dari kita di utara lubang hitam. Doppler meningkatkan dan berseri melakukan sisanya.

Seperti yang dikatakan koran:

lokasi fluks puncak pada cincin dikontrol oleh putaran lubang hitam: selalu terletak kira-kira 90 derajat berlawanan arah jarum jam dari proyeksi vektor putaran di langit.

Ada beberapa informasi terbaru yang layak diperbarui untuk menjawab (meskipun kesulitan mengetik MathJax di ponsel saya). Saya telah mengutip secara minimal karena saya tidak akan memperbaiki apa yang telah dipublikasikan para ilmuwan ini. Suntingan sebelumnya tetap berada di bawah penambahan ini.

Dalam makalah " Pengukuran putaran lubang hitam M87 dari cahaya terpilin yang diamati " (16 April 2019) oleh Fabrizio Tamburini, Bo Thidé, dan Massimo Della Valle, mereka menjelaskan di halaman 2:

... Teknik pencitraan yang diterapkan pada rangkaian data ini mengungkapkan adanya cincin asimetris dengan rotasi searah jarum jam dan struktur geometris "sabit" yang menunjukkan depresi kecerahan pusat yang jelas. Ini menunjukkan sumber yang didominasi oleh emisi lensa yang mengelilingi bayangan lubang hitam.

Dari analisis dua set data, kami memperoleh parameter asimetri $q_1$ = 1,417 untuk epoch 1 dan $q_2$ = 1,369 untuk epoch 2. Mereka memberikan rata-rata asimetri dalam spektrum spiral $\bar{q}$ = 1,393 ± 0,024 sesuai dengan yang dari simulasi numerik kami, $q_{num}$ = 1.375, dari sebagian cahaya yang tidak jelas dipancarkan oleh cincin Einstein dari lubang hitam Kerr dengan0,9 ± 0,1 , sesuai dengan energi rotasi darierg , yang sebanding dengan energi yang dipancarkan oleh$\boldsymbol{a} \textbf{~}\!$ $^{[10]}$$\textbf{10}{^\textbf{64}}\!$ quasar paling terang (~ 500 triliun ) dalam skala waktu Gyr (miliar tahun)$\odot$ , dan kemiringan= 17 ° antara jet yang mendekat dan garis pandang, dengan momentum sudut aliran akresi dan lubang hitam yang tidak selaras , menunjukkan rotasi searah jarum jam seperti yang dijelaskan dalam Pustaka. 5.$i$

Hasil ini sesuai dengan hasil dari analisis gambar pipa fidusia dari amplitudo dan plot fase untuk 11 April 2017 DIFMAP dengan = 1,401, EHT = 1,361 dan SMILI, = 1,319, memberikan untuk hari itu nilai rata-rata = 1,360 yang menyimpang 0,09 dari nilai zaman 2 diperkirakan dengan TIE dan > 0 mengkonfirmasi rotasi searah jarum jam. Spektrum spiral dilaporkan pada Gambar. 2.$q$$q$$q$[ 6 ] ˉ q q$^{[6]}$$\bar{q}$$q$

Kemudian kita menentukan parameter rotasi dengan membandingkan yang diperoleh dengan interpolasi linier dengan parameter asimetri dari berbagai model, seperti yang dilaporkan dalam contoh numerik Tabel I untuk nilai yang berbeda dari parameter inklinasi dan rotasi, dan . Hasilnya digambarkan pada Gambar. 1.$a$$q$$i$$q$

[1]Fabrizio Tamburini, Bo Thidé, Gabriel Molina-Terriza, dan Gabriele Anzolin, "Memutar cahaya di sekitar lubang hitam yang berputar," Nature Phys. 7, 195–197 (2011).
[4]EHT Collaboration et al., "Pencitraan lubang hitam supermasif pusat," Astrophys. J. Lett. 875, L4 (52) (2019), M87 Pertama Event Horizon Telescope Hasil IV.
[5]EHT Collaboration et al., "Asal fisik cincin asimetris," Astrophys. J. Lett. 875, L5 (31) (2019), M87 Pertama Event Horizon Telescope Hasil V.
[6]EHT Collaboration et al., "Bayangan dan massa lubang hitam pusat," Astrophys. J. Lett. 875, L6 (44) (2019), M87 Pertama Event Horizon Telescope Hasil VI.
[10]Demetrios Christodoulou dan Remo Ruffini, "Transformasi reversibel dari lubang hitam yang penuh muatan," Phys. Pdt. D 4, 3552–3555 (1971).
[29]Bin Chen, Ronald Kantowski, Xinyu Dai, Eddie Baron, dan Prasad Maddumage, "Algoritma dan program untuk pelensaan gravitasi yang kuat dalam ruang-waktu Kerr termasuk polarisasi," Astrophys. J. Suppl. Ser. 218, 4 (2015).

Angka:

Gambar 1. Hasil percobaan . Komponen medan sepanjang arah pengamat dan spektra spiral diperoleh dengan metode TIE untuk zaman 1 dan zaman 2. Asimetri antara komponen = 1 dan = −1 pada kedua spektrum spiral tersebut menunjukkan rotasi lubang hitam di M87. Ini juga menunjukkan bahwa vortex elektromagnetik direkonstruksi dari analisis TIE dari intensitas medan EM yang diekstraksi dari suhu kecerahan dalam bandwidth frekuensi terbatas memiliki komponen sepanjang arah propagasi ke pengamat yang kompatibel dengan pelensiran bengkok lubang hitam dengan = 0,9 ± 0,1 berputar searah jarum jam dengan putaran mengarah menjauh dari Bumi dan cincin Einstein dengan jari-jari gravitasi$m$$m$$a$$R_g$= 5, seperti yang ditunjukkan oleh analisis EHT yang didominasi oleh emisi yang tidak koheren. Untuk semua hari, diameter fitur cincin menjangkau rentang sempit 38-44 μ-detik busur dan suhu kecerahan puncak yang diamati dari cincin adalah ∼ 6 × 10 K. Komponen lainnya ( dan ) bidang EM yang berasal dari persamaan TIE tidak menunjukkan komponen OAM dominan. Ini diharapkan .$T$9 [ 6 ] x y [ 1 ]$^9$$^{[6]}$$x$$y$$^{[1]}$

Gambar 2. Hasil dari analisis data DIFMAP, EHT dan SMILI dan simulasi numerik dari KERTAP . Tiga inset pertama menunjukkan spektra spiral eksperimental yang diperoleh dari tiga gambar pipa fidusia selama 11 April 2017 dari SMILI, pencitraan EHT, dan DIFMAP . Mereka mewakili amplitudo dan fase visibilitas sebagai fungsi dari garis dasar vektor. Dalam semua dataset parameter asimetri, rasio antara puncak = 1 dan = −1 dalam spektrum spiral, adalah > 1 menunjukkan rotasi searah jarum jam: lubang hitam ditemukan memiliki putaran yang mengarah menjauh dari Bumi dan kemiringan antara jet yang mendekat dan garis pandang$^{[4]}$$m$$m$$q$$i$= 17 ° (setara dengan geometri serupa dengan kemiringan = 163 °, tetapi di mana momentum sudut dari aliran akresi dan BH adalah anti-sejajar) ( kiri ). Inset keempat : spektrum spiral simulasi numerik dengan KERTAP diperoleh dari intensitas dan fase dinormalisasi dari komponen bidang radiasi yang dipancarkan dari gambar yang diselesaikan secara spasial dari cakram akresi lubang hitam yang didominasi oleh emisi termal dengan with = 2. Koherensi χ dari emisi radiasi dicirikan oleh rasio antara = 0 dan$i$ [ 29 ]$^{[29]}$$z$$m$$m$= 1 puncak dalam spektrum spiral. Semakin rendah χ, semakin tinggi koherensi dalam emisi. Spektrum spiral eksperimental SMILI, pencitraan EHT, dan DIFMAP menunjukkan koherensi yang lebih tinggi dalam emisi radiasi (χ = 1,198, χ = 1,798) dan (χ = 1.107) berkenaan dengan model simulasi disk akresi termalisasi sederhana dengan spektrum daya Γ = 2 (χ = 5.029) dan sehubungan dengan yang diperoleh dalam rekonstruksi TIE dari muka gelombang (χ = 13.745 dan χ = 14.649) pada Gbr.1. Bahkan jika asimetriSMILI EHT DIFMAP KERTAP EP1 EP2 q$_\text{SMILI}$$_\text{EHT}$$_\text{DIFMAP}$$_\text{KERTAP}$$_\text{ep1}$$_\text{ep2}$$q$ dipertahankan dengan baik, metode TIE dapat ditingkatkan dengan akuisisi data berturut-turut dari muka gelombang, dipisahkan oleh interval waktu yang jauh lebih pendek dari satu hari dan karenanya dapat memberikan informasi yang lebih baik tentang emisi sumber.

Makalah itu berisi informasi tambahan dan ilustrasi yang layak untuk ditinjau. Terima kasih Jack R. Woods atas tautan yang mengarahkan saya ke informasi di atas.

Sunting sebelumnya :

Dalam makalah: " Hasil Teleskop Cakrawala M87 Pertama Hasil. V. Asal Fisik Cincin Asimetris ", (10 April 2019), oleh Kolaborasi Acara Cakrawala Teleskop, Kazunori Akiyama, Antxon Alberdi, Walter Alef, Keiichi Asada, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, David Ball, Mislav Baloković, John Barrett, dkk., Dalam salah satu dari beberapa makalah yang baru-baru ini diterbitkan menjelaskan:

(4) Cincin lebih terang di selatan daripada utara. Ini dapat dijelaskan dengan kombinasi gerakan di sumber dan Doppler berseri-seri. Sebagai contoh sederhana, kami mempertimbangkan cincin bercahaya, optik tipis yang berputar dengan kecepatan v dan vektor momentum sudut cenderung pada sudut pandang i> 0 ° ke garis pandang. Kemudian sisi yang dekat dari cincin adalah Doppler yang dikuatkan, dan sisi yang menyusut adalah Doppler yang redup, menghasilkan kontras kecerahan permukaan dari orde kesatuan jika v adalah relativistik. Sisi yang mendekati jet skala besar di M87 berorientasi barat-barat laut (sudut posisi dalam Kertas VI ini disebut ), atau ke kanan dan sedikit ke atas pada gambar.$\mathrm{PA}\approx 288^\circ ;$${\mathrm{PA}}_{\mathrm{FJ}}$

Gambar 5 dari makalah itu termasuk dalam jawaban Rob Jeffries.

Kesimpulan yang mereka capai, sebagian, adalah:

"... Hasil perbandingan ini konsisten dengan hipotesis bahwa emisi 1,3 mm kompak dalam M87 muncul dalam beberapa${r}_{{\rm{g}}}$dari lubang hitam Kerr, dan bahwa struktur seperti cincin pada gambar dihasilkan oleh pelensaan gravitasi yang kuat dan sinar Doppler. Model memprediksi bahwa asimetri gambar tergantung pada indera perputaran lubang hitam. Jika interpretasi ini akurat, maka spin vector dari lubang hitam di M87 menunjuk jauh dari Bumi (lubang hitam berputar searah jarum jam di langit). Model-model tersebut juga memprediksi bahwa ada fluks energi yang kuat yang diarahkan menjauh dari kutub lubang hitam, dan bahwa fluks energi ini didominasi secara elektromagnetik. Jika modelnya benar, maka mesin pusat untuk jet M87 ditenagai oleh ekstraksi elektromagnetik energi bebas yang terkait dengan putaran lubang hitam melalui proses Blandford-Znajek. "

Draf Pertama :

Artikel: " Ketidakstabilan ergoregion benda-benda kompak yang eksotis: gangguan elektromagnetik dan gravitasi dan peran penyerapan ", (15 Februari 2019), oleh Elisa Maggio, Vitor Cardoso, Sam R. Dolan, dan Paolo Pani menjelaskan bahwa ini disebabkan oleh rotasi superradiance di halaman 10:

"... ketidakstabilan dapat dipahami dalam hal gelombang yang terperangkap dalam penghalang foton-sphere dan diperkuat oleh hamburan superradien R. Brito, V. Cardoso, dan P. Pani, Lect. Notes Phys. 906 , hal.1 (2015), arXiv: 1501.06570 .$^{[43]}$
[43]

Dalam artikel " Superradiance ", (di atas) sementara jauh lebih lama, mungkin jauh lebih mudah didekati. Di halaman 38 di mana mereka menjelaskan Proses Penrose mereka menawarkan diagram yang mungkin membuat pemahaman ini lebih mudah:

"Gambar 7: Tampilan bergambar proses Penrose asli. Sebuah partikel dengan energi E meluruh di dalam ergosphere menjadi dua partikel, satu dengan energi negatif E <0 yang jatuh ke dalam BH, sedangkan partikel kedua lolos hingga tak terbatas dengan energi lebih tinggi dari partikel aslinya, E > E . "$_0$2 1 0$_2$$_1$$_0$

Dari halaman 41:

"Gambar 8: Analogi korsel dari proses Penrose. Tubuh jatuh hampir dari diam ke dalam silinder yang berputar, yang permukaannya disemprot dengan lem. Di permukaan tubuh dipaksa untuk berputar bersama dengan silinder (karena itu analog dari BH ergosphere, permukaan di mana tidak ada pengamat dapat tetap diam sehubungan dengan infinity) .Energi negatif dari ergoregion dimainkan oleh energi potensial yang terkait dengan permukaan lengket. Jika sekarang separuh objek (dalam kemerahan) terlepas dari yang pertama setengah (kekuningan), itu akan mencapai tak terhingga dengan lebih banyak energi (kinetik) daripada sebelumnya, mengekstraksi energi rotasi dari sistem. "

Model lebih lanjut yang lebih rumit, diyakini melampaui apa yang diminta, dari halaman 46:

"Gambar 9: Tampilan bergambar dari proses Penrose tumbukan yang berbeda. Kiri: partikel awal dengan memasuki momentum radial (p <0 dan p <0). Partikel 3 memiliki momentum radial awal yang masuk, tetapi akhirnya menemukan titik balik dan lolos hingga tak terbatas. Efisiensi maksimum untuk ini terbukti cukup sederhana η ∼ 1,5 Kanan: partikel awal dengan p > 0 dan p <0. Dalam hal ini partikel kasus 1 harus memiliki p > 0 di dalam ergosphere. Untuk proses ini efisiensi dapat tidak terikat untuk BH yang ekstrem .$^r _1$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 dan J. Shaham, "Batas Atas pada Proses Penrose Collisional Dekat Rotating Black Hole Horizons," Phys.Rev. D16 (1977) 1615-1635.

[169]T. Harada, H. Nemoto, dan U. Miyamoto, "Batas atas emisi partikel dari tumbukan dan reaksi berenergi tinggi di dekat lubang hitam Kerr yang berputar secara maksimal," Phys.Rev. D86 (2012) 024027, arXiv: 1205.7088 [gr-qc].

[170]M. Bejger, T. Piran, M. Abramowicz, dan F. Hakanson, "Proses Penrose Collisional dekat cakrawala lubang hitam Kerr yang ekstrem," Phys.Rev.Lett. 109 (2012) 121101, arXiv: 1205.4350 [astro-ph.HE].

[171]O. Zaslavskii, "Pada energetika dari tabrakan partikel dekat lubang hitam: efek BSW versus proses Penrose," Phys.Rev. D86 (2012) 084030, arXiv: 1205.4410 [gr-qc].

[172] JD Schnittman, "Batas atas revisi untuk ekstraksi energi dari lubang hitam Kerr," arXiv: 1410.6446 [astro-ph.HE]

[173] E. Berti, R. Brito, dan V. Cardoso, “puing berenergi sangat tinggi dari proses Penrose tumbukan,” arXiv: 1410.8534 [gr-qc].

Ada ringkasan di halaman 170 (tidak jauh dari bagian akhir makalah) yang menjelaskan:

"Dalam teori gravitasi, superradiance terkait erat dengan percepatan pasang surut, bahkan pada tingkat Newtonian. Teori gravitasi relativistik memprediksi keberadaan BHs, solusi vakum gravitasi yang cakrawala acaranya berperilaku sebagai membran kental satu arah. Hal ini memungkinkan superradiance terjadi di ruang angkasa BH , dan untuk mengekstraksi energi dari ruang hampa bahkan pada tingkat klasik.Ketika efek semi klasik diperhitungkan, superradiasi terjadi juga dalam konfigurasi statis, seperti dalam kasus radiasi Hawking dari Schwarzschild BH.

Efisiensi hamburan GW superradiant oleh pemintalan (Kerr) BH dapat lebih besar dari 100% dan fenomena ini sangat terkait dengan mekanisme penting lainnya yang terkait dengan pemintalan benda padat, seperti proses Penrose, ketidakstabilan ergoregion, Blandford-Znajek efek, dan ketidakstabilan CFS. Rotasi superradiasi mungkin sulit untuk diamati di laboratorium, tetapi padanan BHnya dikaitkan dengan sejumlah efek dan ketidakstabilan yang menarik, yang mungkin meninggalkan jejak pengamatan. Kami telah menyajikan perlakuan terpadu fenomena superradiant BH termasuk BH bermuatan, dimensi yang lebih tinggi, ruangwaktu datar nonasimptotik, model gravitasi analog dan teori di luar GR. "

Saya percaya kita melihat salah satu efek dari disk akresi berputar pada kecepatan yang sangat tinggi. Ini disebut berseri relativistik , dan itu terjadi karena partikel (dalam hal ini materi dalam disk akresi) yang bepergian dengan kecepatan relativistik (katakanlah, ke atas .2c), cenderung memancarkan radiasi mereka secara khusus dalam kerucut menuju arah gerakan .

Ini menunjukkan bahwa materi di bagian bawah gambar (gumpalan paling terang) bergerak ke arah kita, dan bagian yang lebih gelap sedang bepergian. Karena lubang hitam cenderung membengkokkan cahaya di sekitar dirinya sendiri, saya tidak yakin dari foto orientasi disk akresi.