Co to za pierścień, który dopiero teraz pojawia się na ilustracjach czarnej dziury?

Jeśli zauważysz, czasoprzestrzeń zaczyna się deformować w pobliżu czarnej dziury, ale następnie w znacznej odległości od powierzchni czarnej dziury obrazy w tle ulegają ultra-zniekształceniu, ale gdy spojrzysz jeszcze bliżej czarnej dziury, zniekształcenie znów zaczyna wyglądać normalnie, prawie tak, jakby nic się nie działo, z wyjątkiem niewielkiego efektu soczewki typu rybie oko.

Jeśli czasoprzestrzeń zniekształca się w sposób monotoniczny, gdy zbliżasz się do powierzchni czarnej dziury, to w jaki sposób istnieje ten pierścień ultra-zniekształceń? Dlaczego obraz nie wygląda jeszcze bardziej zniekształcony na powierzchni niż na tym pierścieniu?

Wynika to z faktu, że fotony wielokrotnie krążyły wokół czarnej dziury.

Z dala od BH obraz jest tylko nieznacznie zniekształcony. Są to fotony, które nieco odchylają się.

W miarę zbliżania się widać coraz większe odchylenia fotonów. W pewnym momencie zobaczysz fotony, które przyszły za tobą, okrążyły BH i uderzyły cię w oko. W końcu, wystarczająco blisko BH, zobaczysz fotony, które wykonały pełny obrót o 360 stopni. BH działa jak kamera typu rybie oko.

Przyglądając się coraz bliżej dysku, otrzymujesz fotony, które wykonały 1,5 obrotu, 2 obroty, 3 obroty i tak dalej.

To, co widzisz, to koncentryczne obrazy pierścieniowe, z których każdy zawiera pełny obraz wszystkiego wokół BH, ale jest skompresowany w pierścieniu. Zasadniczo istnieje nieskończona liczba koncentrycznych obrazów, ale widać tylko kilka pierwszych.

https://imgur.com/VZnkFxP

Należy zauważyć, że czarny dysk pośrodku nie jest horyzontem zdarzeń. To po prostu region w kosmosie, z którego nie dociera żadne światło, które mogłoby dotrzeć do twojego oka. Rzeczywisty horyzont zdarzeń jest około 2x mniejszy. Można by pomyśleć o tym jako o zdjęciu horyzontu zdarzeń „powiększonego” przez zniekształcenie czasoprzestrzenne, ale analogia nie jest idealna.

Czarna dziura jest pod wieloma względami bardzo dziwnym „obiektywem”.

Wiem, że już zaakceptowałeś odpowiedź, ale chcę udzielić bardziej technicznej odpowiedzi, która bardziej zagłębia się w fizykę. Jeśli naprawdę chcesz przeczytać więcej i masz skłonność do matematyki, proponuję rzucić okiem na nieporównywalne Wykłady na temat Lensacji grawitacyjnej autorstwa Narayana i Bartelmanna . Będzie to podstawa wielu moich odpowiedzi i tak naprawdę jest podstawą wielu późniejszych traktatów na temat soczewkowania grawitacyjnego.

Po pierwsze, chcę powiedzieć, że opis fotonów Florina krążących wokół czarnej dziury i wytwarzających wiele pierścieni jest prawidłowym pomysłem i naprawdę się zdarza, ale nie sądzę, aby był istotny dla twojego pytania, ponieważ te pierścienie nie są widoczne na zdjęciu wysłałeś.

Zamiast tego widzisz efekt soczewkowania grawitacyjnego, w którym obrazy obiektów są zniekształcone, powiększane i powielane. Mówiąc w uproszczeniu, w pobliżu czarnej dziury lokalna metryka czasoprzestrzenna jest wypaczona (innymi słowy, czarna dziura wywiera grawitację) z powodu ogromnej osobliwości w czarnej dziurze. To wypaczenie czasoprzestrzeni powoduje, że ścieżka światła, która w przeciwnym razie poruszałaby się wzdłuż linii prostej, jest wygięta. Przy pewnych podstawowych założeniach można dokładnie obliczyć, jak zniekształcony jest obraz źródła światła w tle.

Główny i dobrze zdefiniowany pierścień, który widzisz, jest znany jako Pierścień Einsteina . Pierścień ten można naprawdę dobrze zobaczyć na (symulowanym) zdjęciu poniżej.

W prostym przypadku pojedynczej, nieobrotowej czarnej dziury fizyka jest wystarczająco prosta, aby faktycznie wykonać obliczenia wprost (aczkolwiek z pewnymi uproszczeniami, np. Przybliżeniem cienkiej soczewki ). Jak opisano w Wykładach połączonych powyżej:

Każde źródło jest obrazowane dwukrotnie przez soczewkę punktową. Dwa obrazy znajdują się po obu stronach źródła, jedno zdjęcie wewnątrz pierścienia Einsteina, a drugie na zewnątrz. Gdy źródło odsuwa się od soczewki, jeden z obrazów zbliża się do soczewki i staje się bardzo słaby, podczas gdy drugi obraz zbliża się coraz bardziej do prawdziwej pozycji źródła i dąży do powiększenia jedności.

Możesz więc zobaczyć, że otrzymujesz zduplikowane obrazy dowolnego obiektu tła, co wyraźnie widać na powyższym obrazku. Około godziny 7 na obrazku widać dwie gwiazdy (jedną czerwonawą, jedną niebieskawą), które znajdują się poza pierścieniem Einsteina, a następnie drugie zdjęcie około 1 godziny, która jest wewnątrz pierścienia Einsteina. Sam pierścień Einsteina jest szczególnym przypadkiem, w którym obiekty dokładnie na pierścieniu znajdują się bezpośrednio za czarną dziurą (z perspektywy obserwatora). W tym szczególnym przypadku nie dostajesz już dwóch zdjęć, ale raczej pierścień światła. Gdy obiekty zbliżają się do tego pierścienia (innymi słowy, gdy zbliżają się bezpośrednio do czarnej dziury),

Dlatego widzisz opisywane zniekształcenie. Gdy obiekt za czarną dziurą zbliża się do linii wzroku, pojawia się jako dwa obrazy, jeden daleko poza pierścieniem Einsteina i jeden (bardzo mały) obraz blisko horyzontu zdarzeń. Następnie, gdy obiekt zbliża się do linii witryny, jego obrazy zbliżają się do pierścienia Einsteina z obu stron, gdzie staje się jaśniejszy i bardziej zniekształcony.

Wspomniany przez Florina pomysł na krążenie fotonów jest prawdziwy i faktycznie widzisz wiele pierścieni Einsteina, ale pozostałe pierścienie są bardzo blisko czarnej dziury i na ogół ich nie obserwujesz. Możesz zobaczyć te inne pierścienie Einsteina jako delikatny blask wokół czarnej dziury na powyższym obrazku.