Meilleure réponse
Pour un trou noir non tournant (sphérique symétrique), la sphère photonique est une région sphérique de lespace où la gravité est forte suffisamment pour que les photons (particules légères) soient obligés de voyager sur des orbites. Cela signifie que les photons voyagent autour du trou noir, jusquà ce quils tombent ou sortent en spirale. Ils doivent faire lun ou lautre, car cest une orbite instable; il y a toujours de petites perturbations provenant dautres masses et ondes gravitationnelles, etc., et les photons diffractent au lieu de suivre une trajectoire exacte de particules classiques.
Des sphères de photons existent autour des trous noirs, où le «paramètre dimpact» (distance de décalage du trou noir) est juste à la limite de suffisamment pour que les photons soient capturés.
Source de limage: RealClearScience (modifié)
À mesure que les photons sapprochent de lhorizon des événements dun trou noir (la région au-delà de laquelle la lumière ne peut pas séchapper), les particules de lumière avec un moment angulaire suffisant évitent être tiré dans le trou noir en se déplaçant dans une direction presque tangentielle connue sous le nom de cône de sortie (chemin orange).
Un photon sur le la limite de ce cône na pas assez de moment cinétique pour échapper au puits de gravité du b manque de trou, et tourne temporairement autour du trou noir (chemin bleu). Ces orbites sont instables, cest-à-dire quaprès une flexion dun angle fini autour du trou noir, le photon va soit retomber, soit se replier. Par analogie, voyez comment un photon senroulerait dans un trou noir dans la vidéo ci-dessous.
Image: copyright © 2017 Martin Silvertant. Tous droits réservés.
La sphère photonique est située à 1,5 fois le rayon de Schwarzschild (le rayon qui définit la taille de lhorizon des événements du trou noir). Plus vous êtes loin du trou noir, plus la force gravitationnelle est faible, et cest au niveau de la sphère photonique quil y a juste assez de force gravitationnelle pour maintenir des orbites semi-stables.
Ce qui est intéressant à propos des photons en orbite, cest que ils peuvent passer au même endroit que dans lorbite précédente, ce qui, si vous vous teniez au-dessus dun trou noir à 1,5 fois le rayon de Schwarzschild, pourrait conduire à des effets assez intéressants. (Il ny a pas dorbites stables à lintérieur de 3 rayons de Schwarzschild.)
Par exemple, les photons réfléchis par larrière de votre tête se déplaceront autour du trou noir et se rapprocheront potentiellement de votre position et entreront dans vos yeux . En tant que tel, vous regardez effectivement larrière de votre tête!
Image: copyright © 2017 Martin Silvertant. Tous droits réservés.
Bien sûr, dans la pratique, les photons individuels suivront des orbites légèrement différentes les uns des autres, et donc même si lun dentre eux passe exactement au même endroit que vous, plutôt quun image de larrière de votre tête, vous nen verriez quune tache (des très rares photons qui entrent dans vos yeux), ce qui nest pas réellement perceptible comme une partie dune tête.
En savoir plus sur les orbites autour dun trou noir dans la réponse de Stephen Selipsky à La lumière pourrait-elle être mise en orbite?
Réponse
Les photons «nont» ni direction ni emplacement jusquà ce quils soient absorbés par les détecteurs. Rappelez-vous toujours que les électrons émettant des photons font la même chose que les antennes radio, émettant des électrons électromagnétiques dans un «diagramme de rayonnement» spécifique,… mais où lénergie du champ est quantifiée plutôt que continue (les photons ne sont pas comme de petites balles. pas dénergie dans un champ quantique de remplissage de volume.)
Oui, la fonction donde de probabilité de lémission de lélectron est une sphère. Elle s’étend à la vitesse c, mais la probabilité de trouver le photon sur cette sphère sera comme avec la densité de puissance d’une antenne dipolaire: une bande circulaire forte autour de l ’« équateur »de la sphère, avec une polarisation électrique perpendiculaire à ce cercle. Donc, nous aurons quelque chose qui ressemble à une onde sphérique EM avec une probabilité maximale de photons à l «équateur» de la sphère et une probabilité nulle aux pôles. (Le motif sur la sphère ressemblera à lombre dun tore.)
Quen est-il de lélectron unique? Chaque fois que la direction de l’accélération de l’électron est aléatoire (est incertaine, comme pour les transitions atomiques), alors la distribution de probabilité en forme de sphère du photon demeure, mais l’orientation du modèle de probabilité du photon sur sa surface est incertaine. Les «pôles» et «l’équateur» pourraient alors être situés n’importe où et la polarisation du photon s’étend à toutes les valeurs possibles.
PS
Notez également que, pour une énergie photonique bien définie, «lépaisseur» de la sphère en expansion devient plus grande. Un photon monofréquence doit avoir un nombre infini de cycles donde EM, avec une émission dune durée infinie! Plus réaliste est une émission atomique avec une largeur de raie étroite, et avec lémission EM persistant pendant un temps significatif mais non infini. Les émissions de lumière à bande étroite ressemblent à des «sphères creuses épaisses» qui se gonflent continuellement, chaque photon se trouvant finalement quelque part dans la couche sphérique en expansion (maximum à léquateur, avec des trous aux pôles, bien sûr).
BTW, voici une collection très intéressante dessais de physique de lOSA: Nature of light: what is a photon, https://www.sheffield.ac.uk/polopoly\_fs/1.14183!/file/photon.pdf
Voir également le grief dArt Hobson dans le journal AJP; se plaignant que la plupart des manuels de gestion de la qualité de premier cycle produisent universellement un ensemble didées fausses concernant les photons / quanta: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1204/1204.4616.pdf 2012 AJP, » Il ny a pas de particules, il ny a que des champs. «