为什么这张黑洞照片中会有不均匀的明亮区域？

在上图显示的最近发布的黑洞照片中，该照片是使用EHT的数据创建的，为什么下部区域比上面的区域更亮？是因为吸盘旋转吗？另外，吸积盘的方向是什么？我们正正面看吗？

不，您没有看到吸积盘的形状。尽管它的平面几乎是图片的平面，但它比看到的环要大得多和暗淡。这种不对称的原因几乎完全是由于多普勒光束和以非常接近黑洞的相对论速度传播的物质引起的辐射增强。反过来，这几乎完全由黑洞旋转的方向控制。黑洞几乎清除了物质和磁场，而与吸积盘的方向无关。

下面来自第五个事件视界望远镜纸的图片使情况变得清晰。

黑色箭头指示黑洞旋转的方向。蓝色箭头指示吸积流的初始旋转。M87的喷气机或多或少是东西向的（投射到页面上），但右侧指向地球。假设黑洞的自旋矢量与此对齐（或反对齐）。

左侧的两个图显示了与观察结果的一致性。它们的共同点是黑洞旋转矢量大部分进入页面（与射流反对齐）。气体被迫以相同的方式旋转，并导致相对论运动向黑洞以南向我们投射，而远离我们向黑洞以北远离我们。多普勒助推和射束完成其余的工作。

如论文所述：

环中峰值通量的位置由黑洞自旋控制：它始终与自旋矢量在天空上的投影逆时针方向大致成90度。

有一些最新信息值得更新答案（尽管很难在手机上键入MathJax）。我只引用了最少的内容，因为我对这些科学家发表的论文没有任何改善。以前的编辑仍保留在此添加项之下。

Fabrizio Tamburini，BoThidé和Massimo Della Valle 在论文“ 根据观察到的扭曲光测量M87黑洞的自旋 ”（2019年4月16日）中，对第2页进行了解释：

应用于该数据集的成像技术揭示了不对称环的存在，该环具有顺时针旋转和“新月”几何结构，呈现出明显的中央亮度降低。这表明源由围绕黑洞阴影的透镜发射主导。

从这两个数据集的分析中，我们获得了时期1 的不对称参数 = 1.417和时期2的 = 1.369，它们给出了 = 1.393±0.024 的螺旋光谱的平均不对称性我们的数值模拟 = 1.375，由带有的Kerr黑洞的爱因斯坦环发出的部分非相干光0.9±0.1，对应于旋转能量的erg，相当于最亮类星体（约500万亿$q_1$$q_2$$\bar{q}$$q_{num}$$\boldsymbol{a} \textbf{~}\!$ $^{[10]}$$\textbf{10}{^\textbf{64}}\!$ $\odot$）在Gyr（十亿年）的时间尺度上，接近的射流与视线之间的倾斜度 = 17°，吸积流和黑洞的角动量未对齐，如Ref中所述，显示了顺时针旋转。5，$i$

该结果与 = 1.401，EHT = 1.361和SMILI， = 1.319，的DIFMAP的2017年4月11日幅度和相位图的基准管线图像分析结果相吻合。给出当天的平均值 = 1.360，该值与TIE估计的纪元2值偏离0.09且 > 0确认顺时针旋转。螺旋光谱示于图2。$q$$q$$q$$^{[6]}$$\bar{q}$$q$

然后，通过将线性插值获得的参数与各种模型的不对称参数进行比较来确定旋转参数，如表I的数字示例中针对不同的倾斜度和旋转参数和。结果如图1所示。$a$$q$$i$$q$

[1]Fabrizio Tamburini，BoThidé，Gabriel Molina-Terriza和Gabriele Anzolin，“旋转的黑洞周围的光扭曲”，《自然物理学》。7，195–197（2011）。
[4]EHT Collaboration等人，“成像中央超大质量黑洞”，Astrophys。J.莱特 875，L4（52）（2019），第一个M87事件地平线望远镜结果IV。
[5]EHT Collaboration等人，“非对称环的物理起源”，Astrophys。J.莱特 875，L5（31）（2019），第一个M87事件地平线望远镜结果V.
[6]EHT协作等人，“中央黑洞的阴影和质量”，Astrophys。J.莱特 875，L6（44）（2019），第一个M87事件地平线望远镜结果VI。
[10]Demetrios Christodoulou和Remo Ruffini，“带电黑洞的可逆转换”，物理。修订D 4，3552-3555（1971）。
[29]Bin Bin Chen，Ronald Kantowski，Dinyu Dai，Eddie Baron和Prasad Maddumage，“在Kerr时空（包括极化）上进行强引力透镜成像的算法和程序，” Astrophys。J.补充 老师 218，4（2015）。

图：

图1. 实验结果。沿观察者方向的场分量和通过TIE方法获得的第1和第2 周期的螺旋光谱。两个螺旋光谱中 = 1和 = -1分量之间的不对称揭示了M87中黑洞的旋转。它还表明，从有限温度带宽中的亮度温度提取的EM场强度的TIE分析中重建的电磁涡流具有沿传播方向向观察者的分量，这些分量与 = 0.9的黑洞的扭曲透镜兼容。±0.1顺时针旋转，自旋指向远离地球的位置，并且有一个爱因斯坦环，其重力半径为$m$$m$$a$$R_g$= 5，这是由非相干发射为主的EHT分析所表明的。对于所有天，环特征的直径跨越窄范围38-44μ-角秒和环的所观察到的峰值亮度温度为〜6×10 K.的其它部件（从TIE方程得出的EM场的和）没有显示出主要的OAM分量。这是预期的。$T$$^9$$^{[6]}$$x$$y$$^{[1]}$

图2. DIFMAP，EHT和SMILI数据分析的结果以及KERTAP的数值模拟的结果。前三个插图显示了从2017年4月11日的SMILI，EHT成像和DIFMAP的三个基准管道图像获得的实验螺旋光谱。它们将可见度幅度和相位表示为矢量基线的函数。在所有数据集中，不对称参数（螺旋光谱中 = 1和 = -1峰之间的比率）为 > 1，指示顺时针旋转：发现黑洞的自旋指向远离地球且倾斜在接近的喷气机和的视线之间$^{[4]}$$m$$m$$q$$i$= 17°（相当于倾斜度 = 163° 的类似几何体，但吸积流和BH的角动量反对齐）（左）。第四插图：KERTAP数值模拟的螺旋光谱，该光谱是从由黑洞吸积盘的空间分辨图像发射的辐射场的分量的归一化强度和相位得到的，该空间以Γ的热辐射为主=2。辐射发射的相干度χ由 = 0和之间的比率表征$i$$^{[29]}$$z$$m$$m$螺旋光谱中有1个峰。χ越低，发射的相干性越高。SMILI，EHT成像和DIFMAP的实验螺旋光谱在辐射发射中显示出更高的相干性（ = 1.198，χ_text = 1.798）和（ = 1.107）相对于功率谱Γ= 2（ = 5.029）的简单热化吸积盘的模拟模型以及波前TIE重建（χ_text = 13.745，χ_text = 14.649）。即使不对称$_\text{SMILI}$$_\text{EHT}$$_\text{DIFMAP}$$_\text{KERTAP}$$_\text{ep1}$$_\text{ep2}$$q$ 如果保存完好，则可以通过连续采集波前的数据（间隔比一天短得多的时间间隔）来改进TIE方法，因此可以提供有关源发射的更好信息。

该论文包含大量其他信息和插图，值得回顾。谢谢杰克·R·伍兹对于这使我对上述信息的链接。

上一个编辑：

在论文中：“ 第一个M87事件地平线望远镜的结果。V 。非对称环的物理起源 ”，（事件地平线望远镜协作组，2019年4月10日），秋山一典，安特森·阿尔伯迪，沃尔特·阿勒夫，浅田敬一，丽贝卡·阿祖莱， Anne-Kathrin Baczko，David Ball，MislavBaloković，John Barrett等人在最近发表的几篇论文之一中解释说：

（4）戒指的南部比北部明亮。这可以通过源中的运动和多普勒波束的组合来解释。作为一个简单的示例，我们考虑一个发光的光学薄环，它以速度v旋转，并且角动量矢量以相对于视线的视角i> 0°倾斜。然后，对环的接近面进行多普勒增强，对后退面进行多普勒调暗，如果v是相对论，则产生阶数为1的表面亮度对比度。M87大型喷气机的接近侧是西西北（位置角在论文VI中，这称为），或在图像的右侧略微向上。$\mathrm{PA}\approx 288^\circ ;$${\mathrm{PA}}_{\mathrm{FJ}}$

Rob Jeffries的回答中包含了该论文的图5。

他们得出的部分结论是：

“ ...该比较的结果与以下假设一致：M87中的1.3 mm紧凑发射发生在几个${r}_{{\rm{g}}}$克尔黑洞的图像，并且图像的环状结构是由强重力透镜和多普勒光束产生的。这些模型预测图像的不对称性取决于黑洞旋转的感觉。如果此解释正确，则M87中黑洞的自旋矢量指向远离地球的位置（黑洞在天空上顺时针旋转）。这些模型还预测，有很强的能量通量从黑洞的极点移开，并且该能量通量是电磁主导的。如果模型是正确的，那么M87喷气式飞机的中央发动机将通过Blandford-Znajek工艺以电磁方式提取与黑洞旋转相关的自由能来驱动。”

初稿：

Elisa Maggio，Vitor Cardoso，Sam R.Dolan和Paolo Pani 撰写的文章：“ 异域紧致物体的Ergoregion不稳定性：电磁和重力扰动以及吸收的作用 ”（2019年2月15日）解释说，这是由于旋转第10页的超辐射：

“ ...不稳定性可以用捕获在光子球体屏障内并通过超辐射散射放大的波来理解。 R. Brito，V. Cardoso和P. Pani，Lect。Notes Phys。906 ，pp.1（2015），arXiv：1501.06570。$^{[43]}$
[43]

在“ Superradiance ”一文中（以上），虽然时间更长，但可能更容易接近。在第38页上，他们解释了Penrose过程，他们提供了一个图表，可能会使对此的理解更加容易：

“图7：原始彭罗斯过程的图形视图。能量为E粒子在人体工地内部分解为两个粒子，一个具有负能量E <0的粒子落入BH，而第二个粒子以能量逃逸至无穷大高于原始粒子E > E。”。$_0$$_2$$_1$$_0$

从第41页：

“图8：类似于彭罗斯（Penrose）工艺的旋转木马。一个物体几乎从静止状态掉入一个旋转的圆柱体中，其表面喷有胶水。在该表面上，该物体被迫与圆柱体共同旋转（因此类似于BH在整个地球上，没有观察者可以相对于无穷远保持静止的表面。人体区域的负能量状态由与粘性表面相关的势能发挥。如果现在有一半物体（带红色）与第一个物体分离一半（淡黄色），它将以比最初更多的（运动）能量达到无穷大，从而从系统中提取出旋转能量。”

第46页上的一个更复杂的模型，据信超出了所要求的范围：

“图9：不同的Penrose碰撞过程的示意图。左：初始粒子具有传入的径向动量（p <0和p <0）。粒子3具有初始传入的径向动量，但最终找到了一个转折点，逃逸到无穷大，最大效率为η〜1.5。右：初始粒子的p > 0和p <0。情况1的粒子在人体工效圈内部必须具有p > 0.对于此过程，对于极端BH效率可以不受限制。$^r _1$$^r_2$$^{[168, 169, 170, 171]}$$^r_1$$^r_2$$^r_1$$^{[172, 173]}$

[168]T. Piran和J. Shaham，“旋转黑洞视线附近的碰撞彭罗斯过程的上限”，物理版。D16（1977）1615–1635。

[169]T. Harada，H。Nemoto和U. Miyamoto，“在最大旋转的Kerr黑洞附近，高能碰撞和反应引起的粒子发射上限”，物理学报。D86（2012）024027，arXiv：1205.7088 [gr-qc]。

[170]M. Bejger，T。Piran，M。Abramowicz和F. Hakanson，“在极端Kerr黑洞地平线附近的彭罗斯碰撞过程”，雷特物理博士。109（2012）121101，arXiv：1205.4350 [astro-ph.HE]。

[171]O. Zaslavskii，“关于黑洞附近的粒子碰撞的能量学：BSW效应与Penrose过程的关系”，物理版。D86（2012）084030，arXiv：1205.4410 [gr-qc]。

[172] JD Schnittman，“从Kerr黑洞提取能量的修订上限”，arXiv：1410.6446 [astro-ph.HE]。

[173] E. Berti，R。Brito和V. Cardoso，“来自碰撞Penrose过程的超高能碎片”，arXiv：1410.8534 [gr-qc]。

在第170页上有一个摘要（本文末尾没有地方），它说明：

“在引力理论中，即使在牛顿水平，超辐射也与潮汐加速度密切相关。相对论引力理论预测了BHs的存在，其重力视力解的事件层表现为单向粘性膜。这使超辐射在BH时空中发生。如果考虑到半经典效应，则在静态配置中也会发生超辐射，例如Schwarzschild BH的霍金辐射。

旋转（Kerr）BH对GWs进行超辐射散射的效率可能大于100％，并且该现象与与旋转紧密物体相关的其他重要机制密切相关，例如Penrose过程，人体区域不稳定，Blandford-Znajek效果，以及CFS不稳定。旋转超辐射在实验室中可能很难观察到，但其BH对应物会带来许多有趣的影响和不稳定性，这可能会留下观察性的烙印。我们已经提出了对BH超辐射现象的统一处理，包括带电的BH，更高的尺寸，非渐近平坦的时空，引力的模拟模型和超越GR的理论。”

我相信我们看到吸积盘以极高速度旋转的影响之一。这被称为相对论射束，其发生的原因是，以相对论速度（例如，高于.2c）行进的粒子（在这种情况下为吸积盘中的物质）倾向于优先向运动方向发射圆锥形的辐射。 。

这表明图片底部的物质（最亮的斑点）正在向我们行进，而较暗的部分正在向我们行进。由于黑洞趋向于扭曲自身周围的光线，因此从吸积盘的方向照片中无法确定。