Jak zrozumieć obraz czarnej dziury

Właśnie zobaczyliśmy pierwsze zdjęcie czarnej dziury – supermasywnej czarnej dziury w galaktyce M87, której masa jest 6,5 miliarda razy większa niż masa naszego Słońca. Ale co naprawdę przedstawia to zdjęcie?

To świetny artykuł na ten temat autorstwa J.P. Lumineta:
«Obraz sferycznej czarnej dziury z cienkim dyskiem akrecyjnym»
Astronomy and Astrophysics, tom 75, nr 1-2, maj 1979, str. 228-235

Korzystając z mojej codziennej intuicji, zastanawiałem się: czy zobaczymy «cień» czarnej dziury, patrząc na dysk akrecyjny z boku? Odpowiedź brzmi: tak, ponieważ czarna dziura zniekształca czasoprzestrzeń. Nawet jeśli zwykle nie moglibyśmy zobaczyć tylnej strony dysku akrecyjnego, w tym przypadku widzimy ją, ponieważ jej światło zakrzywia się w górę i nad czarną dziurą. Podobnie widzimy światło z dolnej części tylnej strony dysku, ponieważ ono zakrzywia się pod dolną częścią czarnej dziury. Ponadto są dodatkowe obrazy od światła, które wykonuje półobrót wokół czarnej dziury, tworząc wewnętrzne pierścienie.

A jak na temat samego «cienia» czarnej dziury? Początkowo myślałem, że nie może to być obraz horyzontu zdarzeń, ponieważ jest on znacznie większy (2,6 razy). Ale jeśli prześledzimy promienie wstecz, okazuje się, że dla każdego punktu w cieniu istnieje odpowiadający mu promień, który prowadzi do horyzontu zdarzeń. Oznacza to, że z naszego pojedynczego punktu obserwacyjnego widzimy wszystkie strony horyzontu zdarzeń jednocześnie! W rzeczy samej, nieskończenie wiele takich obrazów, wyjaśniających praktycznie nieskończoną liczbę orbit fotonu wokół czarnej dziury przed…