В паре сливающихся сверхмассивных черных дыр найден новый метод измерения пустоты
AstroNews.ru - 10 Мая 2022 16:45:32
Три года назад первое в истории изображение черной дыры ошеломило весь мир. Черная яма небытия, окруженная огненным кольцом света. Это культовое изображение черной дыры в центре галактики Messier 87 появилось благодаря телескопу Event Horizon - глобальной сети синхронизированных радиотарелок, действующих как один гигантский телескоп.
Теперь пара исследователей из Колумбийского университета придумала потенциально более простой способ заглянуть в бездну. Описанная в дополнительных исследованиях в Physical Review Letters и Physical Review D, их техника визуализации может позволить астрономам изучать черные дыры меньшего размера, чем M87 - монстра с массой 6,5 миллиардов Солнц находящегося на расстоянии 55 миллионов световых лет от нашего Млечного Пути.
У метода есть всего два требования. Во-первых, нужна пара сверхмассивных черных дыр, находящихся в стадии слияния. Во-вторых, нужно смотреть на пару почти под боковым углом. С этой боковой точки обзора, когда одна черная дыра проходит перед другой, вы должны увидеть яркую вспышку света, поскольку светящееся кольцо дальней черной дыры увеличивается ближайшей к вам черной дырой - явление, известное как гравитационное линзирование.
Эффект линзирования хорошо известен, но исследователи обнаружили скрытый сигнал: отчетливый провал в яркости, соответствующий "тени" черной дыры сзади. Это едва заметное снижение яркости может длиться от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от того, насколько массивны черные дыры и насколько тесно переплетены их орбиты. По словам исследователей, если измерить, как долго длится затемнение, можно оценить размер и форму тени, отбрасываемой горизонтом событий черной дыры - точкой, откуда нет выхода, откуда ничто не убегает, даже свет.
"Потребовались годы и огромные усилия десятков ученых, чтобы сделать изображение черных дыр M87 с высоким разрешением", - сказал первый автор исследования Джорди Давелаар, доктор Колумбийского университета и Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон. "Этот подход работает только для самых больших и близких черных дыр - пары в центре M87 и, возможно, нашего собственного Млечного Пути".
Он добавил: "В нашем методе вы измеряете яркость черных дыр во времени, вам не нужно пространственно вычислять каждый объект. Должно быть, этот сигнал можно найти во многих галактиках".
Тень черной дыры является одновременно ее самой загадочной и информативной особенностью. "Это темное пятно говорит нам о размере черной дыры, форме пространства-времени вокруг нее и о том, как материя падает в черную дыру вблизи ее горизонта", - сказал соавтор исследования Золтан Хайман, профессор физики из Колумбийского университета.
Тени черных дыр могут также хранить секрет истинной природы гравитации, одной из фундаментальных сил нашей Вселенной. Теория гравитации Эйнштейна, известная как общая теория относительности, предсказывает размеры черных дыр. Поэтому физики ищут их для проверки альтернативных теорий гравитации, пытаясь примирить два конкурирующих представления о том, как устроена природа: Общую теорию относительности Эйнштейна, которая объясняет такие масштабные явления, как вращающиеся планеты и расширяющаяся Вселенная, и квантовую физику, которая объясняет, как крошечные частицы, такие как электроны и фотоны, могут одновременно находиться в нескольких состояниях.
Исследователи заинтересовались вспыхивающими сверхмассивными черными дырами после того, как заметили предполагаемую пару сверхмассивных черных дыр в центре далекой галактики в ранней Вселенной. Космический телескоп НАСА "Кеплер", занимающийся поиском планет, сканировал крошечные провалы в яркости, соответствующие прохождению планеты перед звездой-хозяином. Вместо этого "Кеплер" обнаружил вспышки того, что, как утверждают Хайман и его коллеги, является парой сливающихся черных дыр.
Они назвали далекую галактику "Спайки" за всплески яркости, вызванные тем, что ее предполагаемые черные дыры увеличивают друг друга при каждом полном обороте благодаря эффекту линзирования. Чтобы узнать больше о вспышке, Хайман построил модель вместе со своим соавтором Давелааром.
Однако они были озадачены, когда смоделированная ими пара черных дыр произвела неожиданное, но периодическое падение яркости каждый раз, когда одна вращалась перед другой. Сначала они подумали, что это ошибка в кодировке. Но дальнейшая проверка заставила их поверить сигналу.
В поисках физического механизма, объясняющего его, они поняли, что каждый провал яркости точно соответствует времени, которое требуется ближайшей к зрителю черной дыре, чтобы пройти перед тенью черной дыры, находящейся сзади.
В настоящее время исследователи ищут данные других телескопов, чтобы попытаться подтвердить провал, который они увидели в данных "Кеплера", и убедиться в том, что Спайки действительно является укрытием пары сливающихся черных дыр. Если все подтвердится, то этот метод можно будет применить к нескольким другим предполагаемым парам сливающихся сверхмассивных черных дыр из 150 или около того, которые были замечены до сих пор и ожидают подтверждения.
С появлением в ближайшие годы более мощных телескопов могут появиться и другие возможности. Обсерватория имени Веры Рубин, которая должна открыться в этом году, нацелена на более чем 100 миллионов сверхмассивных черных дыр. Дальнейшая разведка черных дыр станет возможной, когда в 2030 году в космос будет запущен детектор гравитационных волн НАСА LISA.
"Даже если только крошечная часть этих бинаров черных дыр имеет подходящие условия для измерения предложенного нами эффекта, мы сможем найти множество таких провалов черных дыр", - сказал Давелаар.