Накануне демонстрации первого реального снимка чёрной дыры на канале Veritasium вышло видео о том, что мы можем на нём увидеть. С теми изображениями, которые уже получены, более или менее всё понятно, но как бы выглядела чёрная дыра, будь у нас другой угол обзора, и почему? Ответы ищите в ролике.

Перевод: Елена Смотрова
Редактура: Алексей Малов
Научная редактура: Кирилл Циберкин
Озвучка: Вадим Казанцев
Монтаж звука: Андрей Фокин
Монтаж видео: Джон Исмаилов
Обложка: Глеб Брайко

Источник

Разрешение на публикацию 

Скрытый текст
На десятое апреля две тысячи девятнадцатого года анонсировали первое изображение черной дыры и представление результатов работы телескопа горизонта событий. Я их еще не видел, но, вероятно, нам покажут нечто вроде этого: почти уверен, что картинка будет напоминать след от чашки кофе на столе.
Вас не впечатляет? Возможно, вы просто на понимаете всю важность события.
Этот снимок должен показать, способна ли общая теория относительности предсказывать, что происходит в условиях сильной гравитации — такой, как у черных  дыр. 
Объяснить, что именно происходит на таком или подобной изображении, мне поможет вот такая игрушечная черная дыра; поверхность сферы — это горизонт событий, то место, в котором даже пучок света, радиально направленный от черной дыры к некоему абстрактному наблюдателю виден ему не будет.
 Все мировые линии сходятся и исчезают в центре черной дыры, из которой уже ничего — включая свет — никогда не выбирается. Радиус горизонта событий также называют радиусом Шварцшильда.
Если бы мы наблюдали голую черную дыру — когда вокруг нее ничего нет — такого снимка у нас не получилось бы. Она бы просто поглотила все попадающее на нее электромагнитное излучение, но мы исследуем Стрельца А со звездочкой в центре Млечного пути, а вокруг этой черной дыры есть вещество — аккреционный диск.
Он состоит из пыли и газа, которые скручиваются в бешеный раскаленный водоворот — его температура исчисляется миллионами градусов, а скорость достигает значительной части скорости света. Черная дыра питается материей, растет и все набирает и набирает массу. Однако заметно, что аккреционный диск не доходит до самого горизонта событий. Почему так?
Потому что там есть cамая внутренняя устойчивая круговая орбита, и если черная дыра не вращается, радиус этой орбиты составляет три шварцшильдских радиуса. Скорее всего, черная дыра в центре нашей галактики вращается, но для простоты объяснений, я буду говорить о статичных.
Если же вам интересны подробности, смотрите мое видео о вращающихся черных дырах. Итак, примерно здесь будет стабильная орбита близ черной дыры. Чуть материя сдвинется внутрь, ее тут же притянет — и даже привета нам не передаст. Но/ кое-что может вращаться по более близкой орбите к черной дыре — свет. У света нет массы, и он неплохо себя чувствует на расстоянии в полтора шварцшильских радиуса.
Мы обозначим ее этим кольцом, но строго говоря, можно было и по-другому: там целая сфера из орбит фотонов, и если вдруг окажетесь поблизости — не окажетесь, но представим, —  и посмотрите вперед, то увидите свой собственный затылок из-за того, что фотоны описывают полный круг,. Однако орбиты фотонов на этой сфере неустойчивы. Они отклоняются и либо исчезают во тьме, либо вылетают наружу и устремляются в бесконечность. 
Мне хотелось бы остановиться вот на каких вопросах. Что это за тень черной дыры на снимке, как мы можем ее схематически объяснить и что происходит вокруг черной дыры?
Это тот самый горизонт событий? Его мы искали? Или это фотонная сфера? Или устойчивая круговая орбита? Что ж, не так тут все просто. Дело в том, что черные дыры изгибают пространство-время, а значит, вблизи них меняется направление лучей света, они распространяются не по прямой, как мы привыкли… в смысле, по прямой, но пространство-время изогнуто, так что и путь света изогнут. Наверное, удобнее всего представить, что от наблюдателя сюда направлены параллельные лучи и взаимодействуют со всем этим великолепием.
Конечно, если они пересекут горизонт событий, мы навсегда потеряем их в темноте и больше никогда не увидим. Если луч пройдет прямо над горизонтом событий, он изогнется, снова направится в сторону черной дыры и таким же образом исчезнет. /Даже если свет пройдет на расстоянии орбиты, где обращаются вокруг черной дыры фотоны, его изогнет внутрь, за горизонт событий.
 Все это значит, что наименьшее расстояние, /на котором свет может пройти близ этого объекта и не потеряться для нас с вами, — две целых, шесть десятых радиуса Шварцшильда. При таком раскладе свет слегка заденет фотонную сферу и затем устремится прочь, в бесконечность, а нам останется некая тень вроде вот такого пятна размерами в две целых шесть десятых раза больше горизонта событий.
Итак, на что же мы с вами все-таки смотрим? Что это за тень? / В ее центре — горизонт событий. Он как раз идеально ляжет в середину этого пятна. Но если задуматься, мы поймем, что свет снизу и сверху тоже в конце концов попадает за горизонт событий, просто с другой стороны. И в конечном итоге мы получаем здесь, по краям, еще и затылок … нашей тени. Получается, рассматривая черную дыру с одной стороны, из одной точки пространства, мы видим сразу весь ее горизонт событий.
Может, конечно, не стоит говорить, что прямо видим, все же там сплошная чернота, но все же именно то, что я описал, будет в этой тени. Дальше — хуже, ведь свет может скрыться позади, а потом вернуться, и уже спереди его утянет внутрь — выглядеть это будет, как еще одно изображение горизонта событий, и еще одно и еще одно, и еще одно — по мере приближения к тени подобных изображений будет становиться бесконечно много. Так какой же свет мы увидим в первую очередь?
Это будут лучи, направленные к черной дыре под таким углом, что они касаются фотонной сферы, но потом возвращаются к телескопам. Они создадут ту самую тень в две целых шесть десятых раза больше горизонта событий. И смотри мы на все это перпендикулярно аккреционному диску, так бы и было, но скорее у нас некий случайный угол обзора. Может, даже совсем сбоку. И как быть? Увидим ли мы ту самую тень черной дыры?
Если вам показалось, что нет,/ то вы ошиблись. Как я говорил, черные дыры искажают пространство-время и свет, так что мы заодно видим заднюю часть аккеционного диска. Лучи света от него огибают окружность сверху и снизу, а затем их улавливают телескопы, и в итоге мы можем увидеть нечто вроде этого. Снизу аккреционного диска происходит то же самое: свет огибает его и направляется к нам, а в результате мы смогли бы получить фотографию, похожую на черную дыру в Интерстелларе.
Но и это еще не все. Свет, который испускает аккреционный диск, может огибать черную дыру, касаться фотонной сферы и появляться внизу, примерно вот здесь, тоненьким светящимся кольцом под тенью. Точно таким же образом свет в нижней передней части аккреционного диска может обогнуть все это сзади и оказаться наверху, и там мы тоже увидим яркое колечко. Если подобраться близко-близко к черной дыре, то откроется кое-что и в самом деле впечатляющее.
Еще один важный момент: вещество в аккреционном диске движется очень быстро, близко к скорости света, а значит, вещество, которое к нам приближается, будет казаться гораздо ярче, чем то, которое удаляется. Это называется допплеровским усилением. В итоге какая-то часть диска будет светиться сильнее всего остального, а на снимке появится яркое пятно. Надеюсь, у меня получилось примерно объяснить, что мы видим, когда смотрим на изображение черной дыры