Моделювання гравітаційного лінзування при злитті надмасивних чорних дір

Вчені відкрили спосіб вимірювання «тіней» двох надмасивних чорних дір в процесі зіткнення, що дало астрономам потенційно новий інструмент для вимірювання чорних дір в далеких галактиках і перевірки альтернативних теорій гравітації.

Три роки тому світ був приголомшений першим в історії зображенням чорної діри. Чорна яма небуття, оточена вогняним кільцем світла. Відоме зображення чорної діри в центрі галактики Мессьє 87 опинилося в центрі уваги завдяки Телескопу Горизонту Подій (EHT), глобальній мережі синхронізованих радіотелескопів, що діють як один гігантський телескоп.

Тепер вчені розробили потенційно простіший спосіб заглянути в безодню. Новий метод візуалізації може дозволити астрономам вивчати чорні діри менші за масою, ніж M87 з величезною масою 6,5 мільярдів сонц, приховані в галактиках більш далеких, ніж M87, яка знаходиться на відстані в 55 мільйонів світлових років, що все ще відносно близько до нашого Чумацького Шляху.

У нової техніки всього дві вимоги. По-перше, потрібна пара надмасивних чорних дір, що знаходяться в процесі злиття.

По-друге, потрібно дивитися на пару майже збоку. З бокової точки зору, коли одна чорна діра проходить перед іншою, спостерігач повинен побачити яскравий спалах світла, оскільки чорна діра, що світиться, що знаходиться далі, збільшується найближчою до нас чорною дірою - це так зване гравітаційне лінзування.

Ефект лінзування добре відомий, але те, що дослідники виявили тут, було прихованим сигналом: виразне падіння яскравості, відповідне «тіні» чорної діри ззаду. Це тонке затемнення може тривати від декількох годин до декількох днів, залежно від того, наскільки масивні чорні діри і наскільки тісно переплетені їхні орбіти.

Дослідники кажуть, що якщо виміряти, як довго триває провал, можливо оцінити розмір і форму тіні, що відкидається горизонтом подій чорної діри, точкою неповернення, з якої нічого не вислизає, навіть світло.

«Знадобилися роки роботи і величезні зусилля з боку десятків вчених, щоб зробити зображення чорної діри M87», - сказав автор дослідження Джорді Давелаар з Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флетайрон. «Цей підхід працює тільки для найбільших і найближчих чорних дір - пари в серці M87 і, можливо, нашого власного Чумацького Шляху».

Він додав: "З нашою технікою ви вимірюєте яскравість чорних дір з плином часу, вам не потрібно просторово дозволяти кожен об'єкт. Повинна бути можливість знайти цей сигнал у багатьох галактиках ".

Тінь чорної діри - її найзагадковіша та інформативна риса. «Ця темна пляма говорить нам про розмір чорної діри, форму простору-часу навколо неї і про те, як матерія потрапляє в чорну діру поблизу її горизонту», - сказав співавтор дослідження Золтан Хайман, професор фізики з Колумбійського університету.

Тіні чорних дір також можуть містити секрет справжньої природи гравітації, однією з фундаментальних сил нашого Всесвіту. Теорія гравітації Ейнштейна, відома як загальна теорія відносності, пророкує розмір чорних дір.

Тому фізики шукали їх для перевірки альтернативних теорій гравітації, намагаючись примирити дві конкуруючі ідеї про те, як працює природа: загальну теорію відносності Ейнштейна, яка пояснює великомасштабні явища, такі як обертаються навколо планети і розширюється Всесвіт, і квантову фізику, яка пояснює як крихітні частинки, такі як електрони і фотони, можуть займати кілька станів одночасно.

Дослідники зацікавилися спалахами надмасивних чорних дір після виявлення передбачуваної пари надмасивних чорних дір у центрі далекої галактики в ранньому Всесвіті. Космічний телескоп НАСА «Кеплер», що займається пошуком планет, сканував крихітні провали в яскравості, що відповідають планетам, що проходять перед своєю зіркою. Крім цього Кеплер виявив спалахи того, що Золтан Хайман і його колеги називають парою чорних дір, що зливаються.

Вони назвали далеку галактику Spikey («Шипастая») через сплески яскравості, викликані передбачуваними чорними дірами, що збільшують один одного при кожному повному обороті за рахунок ефекту лінзи. Щоб дізнатися більше про спалах, вчені побудували модель.

Однак вони були збиті з пантелику, коли змодельована ними пара чорних дір викликала несподіване, але періодичне падіння яскравості кожен раз, коли одна оберталася попереду інший. Спочатку вони подумали, що це помилка кодування. Але подальша перевірка змусила їх повірити сигналу.

Коли вони шукали фізичний механізм, що пояснює це, вони зрозуміли, що кожне падіння яскравості близько відповідає часу, який потрібен чорній дірі, найближчій до спостерігача, щоб пройти перед тінню чорної діри ззаду.

В даний час дослідники шукають інші дані телескопа, щоб спробувати підтвердити провал, який вони бачили в даних Кеплера, щоб переконатися, що Spikey дійсно містить пару чорних дір, що зливаються. Якщо все підтвердиться, цей метод можна буде застосувати до інших можливих парам злиття надмасивних чорних дір серед близько 150 об'єктів, які були виявлені досі і очікують підтвердження.

У міру того, як у найближчі роки з'являться більш потужні телескопи, можуть з'явитися й інші можливості.

Обсерваторія імені Віри Рубін (ширококутний оглядовий телескоп-рефлектор), відкриття якої заплановано на цей рік, буде націлена на спостереження більш ніж 100 мільйонів надмасивних чорних дір. Подальша розвідка чорних дір стане можливою, коли в 2030 році в космос буде запущений детектор гравітаційних хвиль LISA.