Mustan aukon fotonisfääri

Aloittaja Umbra, 02.11.2014, 20:46:23

« edellinen - seuraava »

Umbra

Olen viime päivinä lueskellut mustiin aukkoihin liittyviä artikkeleita ja (muun muassa) seuraava kysymys on hämmentänyt mieltä. Kun havaitsija katselee mustaa aukkoa turvallisen matkan päästä, hän näkee mustan kiekon taustaivasta vasten. Mutta mikä tämä mustana havaittu kiekko oikeastaan on? Aiemmin olen kuvitellut sen olevan tapahtumahorisontti. Asia kuitenkin mutkistuu, kun pohditaan fotonisfääriä (photon sphere), eli rajaa, jossa valonsäteet kiertävät mustaa aukkoa ympyrärataa. (Tämä siis sijaitsee 1.5  Schwarzschildin säteen päässä singulariteetista, eli jonkin matkaa tapahtumahorisontin yläpuolella.) Jos taustataivaalta tuleva valonsäde ylittää fotonisfäärin, sen voisi kuvitella päätyvän spiraaliradalle kohti tapahtumahorisonttia. Tässä tapauksessa se ei voi koskaan päätyä kaukana olevan havaitsijan silmiin. Tämä johtaa päättelemään, että kaukana olevan havaitsijan näkemä musta kiekko ei olekaan tapahtumahorisontti, vaan fotonisfääri.

Tästä asiasta löytyy ristiriitaisen oloista tietoa. Esimerkiksi wikipedian artikkelissa ( http://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole) todetaan "While light can still escape from inside the photon sphere, any light that crosses the photon sphere on an inbound trajectory will be captured by the black hole. Hence any light reaching an outside observer from inside the photon sphere must have been emitted by objects inside the photon sphere but still outside of the event horizon." Tästä saa vaikutelman, että mustana näkyvän kiekon täytyy olla fotonisfääri, ei tapahtumahorisontti.

Toisaalta taas mustaan aukkoon putoamista kuvaavassa animaatiossa (http://www.youtube.com/watch?v=5feVWB1SY-Y) kuvataan  tapahtumahorisontti mustana pintana, jonka vieressä taustataivas on nähtävissä. Tuossa videossa myös näkyy mustaa aukkoa ympäröivä "valotihentymä", jossa taustaivaan kuva ikäänkuin "puuroutuu". Olen aiemmin ajatellut tämän olevan fotonisfääri. Mutta jos se ei ole fotonisfääri, mikä se sitten on?

Olen pohtinut tähän dilemmaan kahta vaihtoehtoista ratkaisua. Taustataivasta vasten näkyvä musta kiekko voisi olla fotonisfääri, jolloin aiempi mielikuvani ja jotkut aiheesta tehdyt visualisoinnit olisivat virheellisiä. Tai sitten taustataivaalta tuleva valonsäde voisi paeta fotonisfäärin sisäpuolelta siksi, että siellä kiertoradat ovat kaoottisia ja fotoni voisi sattumalta singahtaa takaisin fotonisfäärin ulkopuolelle. Olen nyt kallistumassa ensin mainitun vaihtoehdon kannalle.

Wikipedian artikkelissa muuten mainittiin kiintoisa tieto, että myös neutronitähdellä voi olla fotonisfääri, jos se on pienempi kuin 1.5 Schwarzschildin sädettään.

Umbra

Vastaan itse kysymykseeni, tai yhteen osaan siitä. Mustaa aukkoa ympäröivä "valotihentymä" ei liene fotonisfääri, vaan gravitaatiolinssin muodostama rengasmainen kuva suoraan aukon takana olevista tähdistä. Näiden tähtien valo siis taittuu havaitsijan silmiin ohitettuaan aukon eri puolilta. Tämän renkaan sisäpuolelle ilmeisesti muodostuu peilikuva taustataivaasta; esimerkiksi aukon vasemmalla puolella olevan tähden valo päätyy havaitsijan silmiin kiepsahdettuaan aukon ohi sen oikealta puolelta. Ja lähelle fotonisfääriä muodostuu moninkertaisia kuvia ympäröivistä tähdistä valonsäteiden kierrettyä aukon kerran tai useammin. Ilmiö on selvästi nähtävissä tästä kuvasta: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cd/Black_Hole_Milkyway.jpg

mistral

#2
Olen ajatellut tällaisella V/A havainnollistuksella valon pääsyä vapaaseen avaruuteen.

V:llä tarkoitan vaan sektoria, josta valo pääsee ulos. Kun ollaan horisontin pinnassa on V kirjaimen kulma hyvin terävä, sanotaan vaikka 1 aste. Tämän sektorin sisäpuolella pako onnistuu. Kun noustaan ylöspäin V loivenee ja 1,5x Schwarzschildin säteen kohdalla V on suora vaakaviiva. Edelleen kun noustaan ylöspäin, siitä tulee loiva A ilman väliviivaa ja lopulta terävä A, käytännössä suora pystyviiva. Eli pakosektori kasvaa noin nollasta 360 asteeseen.

Mielestäni jokainen fotoni joka kerran joutuu sektorin "kielletylle" puolelle, joutuu aukon vangiksi. Yksi takaportti vielä on jäljellä, jos fotoni törmää ennen horisonttia johonkin heijastavaan tai muuhun ja kimpoaa sektorin pakoalueelle, niin silloin vielä pääsee pois, mutta se lienee lähes mahdotonta, ainakin 1,5x S. säteen sisäpuolella.

edit
Kertymäkiekon alueella varmaan törmäyksiä tapahtuu aina tapahtumahorisontille asti ja valoa pääsee vapaaseen avaruuteen.