M87ブラックホール。なぜ私たちは黒さを見ることができますか？

では、タイトルのとおり、なぜブラックホールの「ブラックネス」を実際に確認できるのでしょうか。私たちが実際に目にしているのは、イベントの地平線、つまり降着円盤です。しかし、これはずっと伸​​びてはいけませんか？確かにブラックホールは2Dの物ではないので、「上から見る」ことができます（空間には方向がないことから、この用語を大まかに使用します）。なぜ、実際に黒さを確認できるのでしょうか。

私が考えることができる唯一のことは、私たちの太陽系が何らかの黄道を持っているように、ブラックホールが物質の大部分が軌道を回っていて、そして他のどこにでも光が見えるのに十分な物質を持っていないということです、 Oortクラウドが見えない理由のようなものです。

私はそれが理にかなっていると思います、そして私は道を外れるかもしれませんが、それはそれを説明するために考えることができる唯一のことです。その場合、射手座Aの同様の画像を取得できます。これは、この「黄道」にいる可能性があるため、確実に、イベント地平線の周りの加熱された物質だけを見ることができます。黒じゃない？

ロブジェフリーズの答えは素晴らしいです、私はジオメトリを説明しようとするこの絵を追加したかっただけです。ここでは、回転しないブラックホール（BH）を想定しています。回転BHの場合、正確な数値は少し異なります。

光子球

光子は直線上を移動しますが、BHの周囲の大きく曲がったスペースでは、これらの直線は曲がって見えます。距離でイベントホライズン（EH）が、$r = 2GM/c^2 \equiv r_\mathrm{S}$（シュバルツシルト半径）は、光子が放出された場合に脱出しない可能性があるからBHマーク領域から半径方向に、部分的に接線方向の軌道上の光子が落ちます$r = 1.5r_\mathrm{S}$距離に戻ると、完全に接線方向に移動するフォトンはフォトン球にとどまります（ただし、これは不安定な軌道です）。

最も内側の安定した軌道と降着円盤

通常の問題は、この距離の2倍まで内側に向かってらせん状になります。したがって、r = 3 r Sでの最も内側の安定した円軌道（ISCO）の内部では、物質はかなり吸収されることになっています。この領域外では物質が軌道を回って降着円盤を形成する可能性がありますが、粒子間の摩擦によりエネルギーが失われるため、粒子はゆっくりとISCOに到達し、その後急速にBHに落下します。M87 BHには、映画Interstellarに描かれているような薄い降着円盤がないことに注意してください。BHのほとんどを囲む厚い「雲」。$r=3r_\mathrm{S}$

フォトン球のすぐ外側で接線方向に放出されたフォトンは、BHの周りを何度もらせん状に回転し、徐々に距離を増やし、最終的に√の投影距離で脱出します。$\sqrt{27/4}r_\mathrm{S} \simeq 2.6r_\mathrm{S}$ BH（例えばからフロロフ・ノビコフ1998）。

シャドー

$2.6r_\mathrm{S}$EHサークルでフォトン球を何度も終端します。これらの視線は、飲み込まれる前の最後の光を照らす物質を通る非常に長い経路であるため、非常に明るく見えます（例：Event Horizo​​n Telescope Collaboration et al。（2019b））。影のすぐ外側にあるこの明るいリングは、フォトンリングまたはエミッションリングと呼ばれます。

お絵かき

以下の図は理解を助けるかもしれません。赤い線はすべてBHへの視線です。一番上のものだけが光子球（および背後の発光物質）をかすめるだけです。残りはEHで終了するため、黒く見えます（正面の発光物質を除く）。中心に近い、EHの正面が見えます。さらに遠くに見ると、実際にはEHの背面が見えます。さらに遠くにEHの前面が再び表示され、フォトンリングに到達するまで無限に続きます。

観察

$\sim25$

$^\dagger$

下の図（Event Horizo​​n Telescope Collaboration et al。（2019b）から）は、左から右に、実際の観測、かなり鋭いフォトンリングが見えるモデル、および観測の解像度と一致するようにぼかされたモデルを示しています。

$^\dagger$

ブラックホールイベントの地平線近くで、光が生成される場所からどのように光が届くのかを考える必要があります。光があなたとブラックホールとの間に発生することができますを取得します。ブラックホールのすぐ後ろで生成された光はあなたに届きません（または少なくともその方向からはあなたに届きません）。光がブラックホールを周回することです一つは、様々な経路を介してあなたに取得することができ、他の位置で発生し、その後、あなたの方向に向かいます。

この結果、観測された光がブラックホールの周りの見かけのリングとその内部の暗い（より）円に集中し、光が直接あなたに到達できない領域を示しますが、代わりに黒に陥ります。その周りに穴またはループ。光子の「リング」の非対称性は、前方への放出をブーストする効果を持つ物質の相対論的軌道運動と、ブラックホールの回転によって引き起こされる「フレームの引きずり」によって引き起こされます（そのため、シャドウは「オフセンター」）。

現象のかなり学術的な説明はファルケ他によって与えられます。（2000）およびHuang et al。（2007）。

このウェブサイトで、カーとシュヴァルツシルトの両方のブラックホールに対する「シャドウイング」の影響を観察できます。

ブラックホールの近くで光がたどる経路は、空の空間でたどる経路とは異なります。基本的に、ブラックホールの「影」が見えます。その特定の方向から私たちに向かって来ると予想される光の多くは、穴の重力によって他の場所にそらされています。

このブラックホールには降着円盤があります。降着円盤とは、ブラックホールの周りを極度の速度で回転し、加熱する物質の円盤です。あなたが写真で見るオレンジ色はその問題です。ディスクの底部が少し手前に傾いているため、問題は片方が「より厚い」ように見えます。あなたが見る「黒さ」は、単にその領域からの光が逃げるのを止めるイベントの地平線です。