Почему свет может сделать несколько кругов
Гравитация чёрной дыры искривляет не только траектории массивных тел, но и путь света. Если луч проходит достаточно близко, его направление заметно меняется; при особенно точном сближении он может обогнуть дыру почти по круговой траектории, прежде чем вырваться наружу и попасть к наблюдателю.
Вокруг чёрной дыры есть область, где такие траектории возможны. Для невращающейся дыры её называют сферой фотонов. Это не твёрдая поверхность и не безопасная орбита: малое отклонение может отправить луч либо прочь, либо внутрь, за горизонт событий — границу, из-за которой свет уже не возвращается. Поэтому световые пути с дополнительными витками требуют очень точного сближения.
Откуда берутся тонкие обводки
Представим горячий газ вокруг чёрной дыры. Свет от него может прийти к Земле напрямую, а может сначала обогнуть дыру. Такие разные пути дают наблюдателю несколько изображений одного и того же участка газа. Лучи, совершившие больше витков, приходят с направлений, всё ближе к границе тени чёрной дыры; соответствующие изображения образуют узкие кольцевые детали.
С каждым дополнительным оборотом подходящий диапазон траекторий становится чрезвычайно узким. Поэтому изображения высших порядков должны быть тесно прижаты друг к другу и гораздо слабее обычного изображения: свет на таком пути дольше блуждает рядом с дырой и может быть поглощён или заслонён окружающим веществом. Вращение чёрной дыры меняет геометрию этих путей, но общий эффект сохраняется.
Что это означает для наблюдений
На снимке телескопа близкие световые обводки обычно сливаются в одну размытую структуру. Чтобы различить отдельные кольца, нужно отделить чрезвычайно тонкие детали и отличить их от яркого излучения газа, которое меняется со временем. Но даже если кольца не видны по отдельности, их форма и положение несут информацию о том, как гравитация искривляет свет. Самые тонкие детали у тени — следы лучей, которые прошли рядом с чёрной дырой не один раз, а снова и снова.
