Скалиране ‘сенке’ две супермасивне црне рупе у процесу судара

У процесу спајања супермасивних црних рупа, нови начин мерења вакуума

Научници су открили начин да квантификују ‘сенке’ две супермасивне црне рупе у процесу судара, дајући астрономима потенцијални нови алат за мерење црних рупа у удаљеним галаксијама и тестирање алтернативних гравитационих теорија.

Пре три године свет је био запањен првом сликом црне рупе. Црна рупа ниоткуда окружена прстеном ватрене светлости. Та култна слика[{“ attribute=““>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

хттпс://ввв.иоутубе.цом/ватцх?в=гКбухКСРитМс
Симулација гравитационих сочива у пару супермасивних компактних црних рупа. Кредит: Јорди Девалар

Ова техника има само два захтева. Прво, потребан вам је пар супермасивних црних рупа усред спајања. Друго, требало би да погледате пар под отприлике бочним углом. Из овог погледа са стране, када једна црна рупа прође испред друге, требало би да будете у могућности да видите блистав бљесак светлости док се светлећи прстен црне рупе увећава од стране црне рупе која вам је најближа, што је феномен познат као гравитационо сочиво.

Ефекат сочива је добро познат, али оно што су истраживачи овде открили био је суптилан сигнал: карактеристичан пад осветљености који одговара „сенки“ црне рупе у позадини. Ово суптилно затамњење може трајати од неколико сати до неколико дана, у зависности од величине црних рупа и колико су њихове орбите запетљане. Ако измерите колико дуго траје пад, кажу истраживачи, можете проценити величину и облик сенке коју ствара хоризонт догађаја црне рупе, тачка без излаза, одакле ништа не бежи, чак ни светлост.

У овој симулацији пара супермасивних спојених црних рупа, црна рупа најближа посматрачу се приближава и тако изгледа плаво (Оквир 1), надувајући црвено померену црну рупу иза себе кроз гравитационо сочиво. Како најближа црна рупа даље појачава светлост црне рупе (Оквир 2), посматрач види блистав бљесак светлости. Али када најближа црна рупа прође испред понора или сенке најудаљеније црне рупе, посматрач види благи пад осветљености (Оквир 3). Ово смањење осветљености (3) је јасно видљиво у подацима криве светлости испод слика. Кредит: Јорди Девалар

„Биле су биле потребне године и огроман напор десетина научника да направе слику високе резолуције М87 црних рупа“, рекао је први аутор студије, Јорди Давилар, постдоктор на Колумбији и Флатирон центру за рачунарску астрофизику. „Овај приступ функционише само са највећим и најближим црним рупама – паром у језгру М87 и вероватно нашим Млечним путем.

Додао је: „Са нашом методом, мерите осветљеност црних рупа током времена и не морате да просторно решавате сваки објекат. Требало би да буде могуће пронаћи овај сигнал у многим галаксијама.“

Сенка црне рупе је њена најмистериознија и најпоучнија карактеристика. „Та тамна тачка нам говори о величини црне рупе, облику простор-времена око ње и како материја пада у црну рупу близу њеног хоризонта“, рекао је коаутор Золтан Хаиман, професор физике на Универзитету Колумбија.

Када се супермасивно спајање црне рупе посматра са стране, црна рупа најближа посматрачу увећава црну рупу која се даље налази ефектом гравитационог сочива. Истраживачи су открили кратак пад осветљености који одговара „сенки“ удаљене црне рупе, омогућавајући посматрачу да процени њену величину. Заслуге: Ницолетта Баролвини

Сенке црне рупе могу сакрити тајну праве природе гравитације, једне од основних сила нашег универзума. Ајнштајнова теорија гравитације, позната као општа релативност, предвиђа величину црних рупа. Стога су их физичари тражили да тестирају алтернативне теорије гравитације у покушају да помире две конкурентске идеје о томе како природа функционише: Ајнштајнову општу релативност, која објашњава феномене великих размера као што су ротација планета и свемир који се шири, и квантну физику, која објашњава како мале честице као што су електрони и фотони заузимају више стања истовремено.

Истраживачи су се затим заинтересовали за паљење супермасивних црних рупа Фореман Наводни пар супермасивних црних рупа у центру удаљене галаксије у раном универзуму.[{“ attribute=““>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010