Supermasyvių juodųjų skylių sujungimo procese – naujas vakuumo matavimo būdas

Mokslininkai atrado būdą, kaip kiekybiškai įvertinti dviejų supermasyvių juodųjų skylių „šešėlius“ susidūrimo procese, suteikdami astronomams potencialų naują įrankį juodosioms skylėms matuoti tolimose galaktikose ir išbandyti alternatyvias gravitacijos teorijas.

Prieš trejus metus pasaulį pribloškė pirmasis juodosios skylės vaizdas. Iš niekur atsiradusi juodoji skylė, apsupta ugningos šviesos žiedo. Tas ikoniškas vaizdas[{” 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.

Gravitacinių lęšių modeliavimas poroje supermasyvių kompaktiškų juodųjų skylių. Kreditas: Jordi Devalar

Ši technika turi tik du reikalavimus. Pirma, jums reikia poros supermasyvių juodųjų skylių susijungimo viduryje. Antra, turėtumėte pažvelgti į porą maždaug šoniniu kampu. Iš šio šoninio vaizdo, kai viena juodoji skylė praeina prieš kitą, turėtumėte matyti ryškų šviesos blyksnį, nes švytintį juodosios skylės žiedą padidina arčiausiai jūsų esanti juodoji skylė. Šis reiškinys žinomas kaip gravitacinis lęšis.

Objektyvo poveikis yra gerai žinomas, tačiau tai, ką mokslininkai atrado čia, buvo subtilus signalas: būdingas ryškumo sumažėjimas, atitinkantis juodosios skylės „šešėlį“ fone. Šis subtilus pritemdymas gali trukti nuo kelių valandų iki kelių dienų, priklausomai nuo juodųjų skylių dydžio ir jų orbitos įsipainiojimo. Jei išmatuotumėte, kiek laiko trunka lašas, teigia tyrėjai, galite įvertinti šešėlio, kurį sukuria juodosios skylės įvykių horizontas, dydį ir formą, tašką, kuriame nėra išėjimo, iš kurio niekas nepabėga, net šviesa.

Modeliuojant porą supermasyvių susiliejusių juodųjų skylių, arčiausiai žiūrovo esanti juodoji skylė priartėja ir taip atrodo mėlyna (1 langelis), per gravitacinį lęšį išpučiant už nugaros esančią raudonai poslinkį juodąją skylę. Kai artimiausia juodoji skylė sustiprina juodosios skylės šviesą toliau (2 langelis), žiūrovas mato ryškų šviesos blyksnį. Tačiau kai artimiausia juodoji skylė praeina prieš bedugnę arba tolimiausios juodosios skylės šešėlį, žiūrovas mato nedidelį ryškumo sumažėjimą (3 langelis). Šis ryškumo sumažėjimas (3) aiškiai matomas šviesos kreivės duomenyse po vaizdais. Kreditas: Jordi Devalar

„Prireikė daug metų ir didžiulių dešimčių mokslininkų pastangų, kad padarytų tą didelės raiškos M87 juodųjų skylių vaizdą“, – sakė pirmasis tyrimo autorius Jordi Davilar, Kolumbijos ir Flatirono kompiuterinės astrofizikos centro doktorantas. „Šis metodas veikia tik su didžiausiomis ir artimiausiomis juodosiomis skylėmis – pora M87 šerdyje ir galbūt mūsų Paukščių Tako.

Jis pridūrė: „Naudodami mūsų metodą, jūs matuojate juodųjų skylių ryškumą laikui bėgant ir jums nereikia erdviškai atskirti kiekvieno objekto. Šį signalą turėtų būti įmanoma rasti daugelyje galaktikų.”

Juodosios skylės šešėlis yra paslaptingiausia ir pamokomiausia jos savybė. „Ta tamsi dėmė pasakoja apie juodosios skylės dydį, erdvėlaikio formą aplink ją ir tai, kaip materija patenka į juodąją skylę šalia jos horizonto“, – sakė bendraautorius Zoltanas Haimanas, Kolumbijos universiteto fizikos profesorius.

Kai stebimas supermasyvus juodosios skylės susiliejimas iš šono, arčiausiai žiūrovo esanti juodoji skylė gravitacinio lęšio poveikiu padidina juodąją skylę toliau. Tyrėjai aptiko trumpą ryškumo kritimą, atitinkantį tolimos juodosios skylės „šešėlį“, leidžiantį žiūrovui įvertinti jos dydį. Kreditas: Nicoletta Barolwini

Juodosios skylės šešėliai gali slėpti tikrosios gravitacijos prigimties paslaptį, vieną iš pagrindinių mūsų visatos jėgų. Einšteino gravitacijos teorija, žinoma kaip bendroji reliatyvumo teorija, numato juodųjų skylių dydį. Todėl fizikai jų ieškojo, norėdami išbandyti alternatyvias gravitacijos teorijas, siekdami suderinti dvi konkuruojančias gamtos veikimo idėjas: Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją, kuri paaiškina didelio masto reiškinius, tokius kaip planetų sukimasis ir besiplečianti visata, ir kvantinę fiziką, kuri. paaiškina, kaip mažos dalelės, tokios kaip elektronai ir fotonai, vienu metu užima kelias būsenas.

Toliau mokslininkai susidomėjo supermasyvių juodųjų skylių uždegimu Meistras Įtariama supermasyvių juodųjų skylių pora tolimos ankstyvosios visatos galaktikos centre.[{” 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