Масштабовані «тіні» двох надмасивних чорних дір у процесі зіткнення

У процесі злиття надмасивних чорних дір з’явився новий спосіб вимірювання вакууму

Вчені відкрили спосіб кількісної оцінки «тінь» двох надмасивних чорних дір у процесі зіткнення, що дало астрономам потенційний новий інструмент для вимірювання чорних дір у далеких галактиках та перевірки альтернативних теорій гравітації.

Три роки тому світ був приголомшений першим зображенням чорної діри. Чорна діра з нізвідки, оточена кільцем вогняного світла. Цей знаковий образ[{” 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.

Моделювання гравітаційних лінз у парі надмасивних компактних чорних дір. Авторство: Жорді Девалар

Ця техніка має лише дві вимоги. По-перше, вам потрібна пара надмасивних чорних дір у розпал злиття. По-друге, ви повинні дивитися на пару приблизно під боковим кутом. З цього погляду збоку, коли одна чорна діра проходить перед іншою, ви повинні бачити яскравий спалах світла, оскільки світиться кільце чорної діри збільшується найближчою до вас чорною дірою, явище, відоме як гравітаційне лінзування.

Ефект лінзи добре відомий, але дослідники виявили тут тонкий сигнал: характерне падіння яскравості, що відповідає «тінь» чорної діри на задньому плані. Це тонке затемнення може тривати від кількох годин до кількох днів, залежно від розміру чорних дір і від того, наскільки заплутані їхні орбіти. Якщо виміряти, як довго триває падіння, кажуть дослідники, ви можете оцінити розмір і форму тіні, створеної горизонтом подій чорної діри, точкою невиходу, звідки ніщо не втече, навіть світло.

У цій симуляції пари надмасивних об’єднаних чорних дір, чорна діра, найближча до глядача, наближається і, таким чином, виглядає синьою (вставка 1), роздуваючи червону зміщену чорну діру позаду через гравітаційну лінзу. Оскільки найближча чорна діра посилює світло чорної діри далі (вставка 2), глядач бачить яскравий спалах світла. Але коли найближча чорна діра проходить перед прірвою або тінню найдальшої чорної діри, глядач бачить незначне зменшення яскравості (вставка 3). Це зменшення яскравості (3) добре видно на даних кривої освітленості під зображеннями. Авторство: Жорді Девалар

«Десятки вчених потребували років і величезних зусиль, щоб зробити це зображення високої роздільної здатності чорних дір M87», – сказав перший автор дослідження Джорді Давілар, постдок Колумбійського центру обчислювальної астрофізики Flatiron. «Цей підхід працює лише з найбільшими та найближчими чорними дірами — парою в ядрі M87 і, можливо, нашого Чумацького Шляху».

Він додав: «За допомогою нашого методу ви вимірюєте яскравість чорних дір у часі, і вам не потрібно просторово розв’язувати кожен об’єкт. Цей сигнал має бути можливим у багатьох галактиках».

Тінь чорної діри — її найбільш загадкова і повчальна особливість. «Ця темна пляма розповідає нам про розміри чорної діри, форму простору-часу навколо неї і те, як матерія падає в чорну діру поблизу її горизонту», — сказав співавтор Золтан Хайман, професор фізики з Колумбійського університету.

Коли злиття надмасивної чорної діри спостерігається збоку, чорна діра, найближча до глядача, збільшує чорну діру, яка знаходиться далі, завдяки ефекту гравітаційної лінзи. Дослідники виявили короткий спад яскравості, відповідний «тінь» віддаленої чорної діри, що дозволило глядачеві оцінити її розмір. Авторство: Ніколетта Баролвіні

Тіні чорної діри можуть приховувати таємницю справжньої природи гравітації, однієї з фундаментальних сил нашого Всесвіту. Теорія гравітації Ейнштейна, відома як загальна теорія відносності, передбачає розміри чорних дір. Тому фізики шукали їх, щоб перевірити альтернативні теорії гравітації, намагаючись узгодити дві конкуруючі ідеї про те, як працює природа: загальну теорію відносності Ейнштейна, яка пояснює великомасштабні явища, такі як обертання планет і розширення Всесвіту, і квантову фізику, яка пояснює, як маленькі частинки, такі як електрони і фотони, займають кілька станів одночасно.

Далі дослідники зацікавилися запалюванням надмасивних чорних дір Бригадир Підозрювана пара надмасивних чорних дір у центрі далекої галактики в ранньому Всесвіті.[{” 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