Vad är en foton sfär?

För ett icke-snurrande (sfäriskt symmetriskt) svart hål är foton sfären ett sfäriskt område i rymden där gravitationen är tillräckligt stark för att fotoner (ljuspartiklar) tvingas färdas i banor. Detta innebär att fotonerna färdas runt det svarta hålet tills de till slut faller in eller spinner ut. De måste göra det ena eller det andra, för det här är en instabil bana; det finns alltid små störningar från andra massor och gravitationsvågor etc., och fotoner bryts istället för att följa en exakt klassisk partikelbana.

Fotonsfärer finns runt svarta hål, där "slagparametern" (förskjutet avstånd från det svarta hålet) är precis vid gränsen för tillräckligt för att fotoner ska fångas.

Bildkälla: RealClearScience (Redigerad)

När fotoner närmar sig händelsehorisonten för ett svart hål (regionen utanför vilken ljus inte kan fly) undviker ljuspartiklarna med tillräcklig vinkelmoment att dras in i det svarta hålet genom att färdas i en nästan tangentiell riktning som kallas en utgångskon (orange väg).

En foton på gränsen till denna kon har inte tillräckligt med vinkelmoment för att undkomma svarta hålets tyngdkraft och istället kretsar det svarta hålet tillfälligt (blå väg). Dessa banor är instabila, vilket betyder att foton efter att ha böjt sig genom en ändlig vinkel runt det svarta hålet kommer antingen falla in eller böja tillbaka. Som en analogi, se hur en foton skulle spira in i ett svart hål i videon nedan.


Bild: copyright © 2017 Martin Silvertant. Alla rättigheter förbehållna.

Fotonsfären ligger 1.5 gånger Schwarzschild-radien (radien som definierar storleken på svarta hålets händelsehorisont). Ju längre du är från det svarta hålet, desto svagare är gravitationskraften, och det är vid foton sfären som det finns precis tillräckligt med gravitationskraft för att upprätthålla halvstabila banor.


Det som är intressant med fotoner i omloppsbana är att de kan passera samma plats som i föregående omlopp, vilket, om du på något sätt höll dig över ett svart hål vid 1.5 gånger Schwarzschild-radien, kan leda till några ganska intressanta effekter. (Det finns inga stabila banor inuti 3 Schwarzschild-radier.)

Till exempel kommer fotoner som reflekteras från baksidan av huvudet att färdas runt det svarta hålet och potentiellt närma sig din plats och komma in i dina ögon. Som sådan tittar du effektivt på baksidan av ditt eget huvud!

Bild: copyright © 2017 Martin Silvertant. Alla rättigheter förbehållna.

Naturligtvis kommer i praktiken enskilda fotoner att följa lite olika banor från varandra, och även om någon av dem passerar exakt samma plats som du, snarare än en fullständig bild av baksidan av ditt huvud, skulle du bara se en fläck av det (från de väldigt få fotoner som kommer in i dina ögon), vilket faktiskt inte kan urskiljas som någon del av ett huvud.


Läs mer om banor runt ett svart hål i Stephen Selipsky 's svar på Kan ljus sättas i omlopp?

Lämna en kommentar