Vad kommer efter att ha fotograferat ett svart håls händelsehorisont? Kunde vi se fotonringen?
2019 gav Event Horizon Telescope (EHT) oss den första direkta bilden av ett svart hål. Å ena sidan var bilden den producerade ganska föga imponerande. Bara en cirkulär oskärpa av ljus som omger en mörk central region. Å andra sidan innehåller subtila egenskaper hos bilden enorm information om storleken och rotationen av det svarta hålet. De flesta av detaljerna i svarta hålsbilden är suddiga av gränserna för EHT. Men nästa generations EHT borde ge en skarpare bild och kan avslöja den mörka kanten av ett svart håls händelsehorisont.
Hur starkt linserat ljus skapar en fotonring. Kredit: Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian
Ett svart hål avger inte självt ljus. Vilket ljus som helst som passerar dess händelsehorisont är för alltid instängd. Den glödande ringen vi ser i EHT-bilden av M87* orsakas av bakgrundsradioglöden av gas och damm som omger det svarta hålet. En del av det ljuset passerar mycket nära det svarta hålet och är gravitationslinsad i vår riktning. Den närmaste gränsen för att ljus kan beta det svarta hålet och nå oss är känd som fotonringen.
Om vi kunde observera det svarta hålet perfekt skulle fotonringen vara en tunn ljus linje. En del av ljuset från fotonringen sprids innan det når oss, och i kombination med upplösningsgränserna för EHT skapar detta den suddiga bilden vi ser. Men nästa generations EHT kommer att ha en högre upplösning och kommer att kunna ta bilder på kortare tid. Detta kommer att möjliggöra detaljerade bilder inte bara av M87*, utan också av det supermassiva svarta hålet i vår galax.
Olika fotonbanor skapar lager av ljus. Kredit: George Wong (UIUC) och Michael Johnson (CfA)
En av de saker som ngEHT kan avslöja är flera lager av linsljus. Det mesta av ljuset vi ser runt det svarta hålet är fotonringen. Det vill säga det starkt linsade ljuset som betade det svarta hålet. Men lite ljus kommer att göra en hel slinga runt det svarta hålet innan det går vår väg, och en liten mängd kommer att göra flera slingor. Varje typ av fotonbana skapar en olika lager av ljusring runt det svarta hålet. Om vi kan dra isär dessa lager kommer vi bättre att förstå gravitationens natur nära ett svart hål.
Och, som en färsk tidning omarXivvisar, kan ngEHT också hjälpa oss att undersöka själva ett svart håls händelsehorisont. Den mörka centrala delen av M87*-bilden är inte händelsehorisonten. Det är bara en skugga av det svarta hålet som orsakas av fotonringen. Men inom den centrala regionen bör det finnas en inre skugga. En skugga av händelsehorisonten. Som detta senaste arbete visar, skulle denna inre skugga inte vara en enkel cirkel. Dess form skulle bero på storleken och rotationen av det svarta hålet.
Gravitationsfältet nära ett svart hål är så starkt att det förvränger inte bara ljuset från fotonringen utan även skuggan av händelsehorisonten. Så även om händelsehorisonten verkligen är sfärisk, är vårseav händelsehorisonten kan förvrängas av det svarta hålets gravitation. I detta senaste arbete visar teamet hur vi kan kunna observera både fotonringen och den inre skuggan. Genom att jämföra de två skulle vi få en djup förståelse av svarta håls dynamik, inklusive information om hur ljus och materia fångas av ett svart hål.
Med tiden kanske vi äntligen kan se själva gravitationens mörka skugga.
Referens:Andrew Chael, et al. ' Att observera den inre skuggan av ett svart hål: en direkt vy av händelsehorisonten .'arXiv förtryckarXiv: 2106.00683 (2021).