Розмір «тінь» двох надмасивних чорних дір у процесі зіткнення

Розмір «тінь» двох надмасивних чорних дір у процесі зіткнення


У цій симуляції злиття надмасивної чорної діри найближча до глядача чорна діра зі зміщенням синього кольору посилює червону зміщену чорну діру ззаду за допомогою гравітаційного лінзування. Дослідники виявили помітне падіння яскравості, коли найближча чорна діра проходила перед тінню її аналога, спостереження, яке можна було використовувати для вимірювання розмірів як чорних дір, так і для перевірки альтернативних теорій гравітації. Авторство: Джорді Давелаар

У парі злиття надмасивних чорних дір, новий метод вимірювання порожнечі

Вчені виявили спосіб визначення розмірів «тінь» двох надмасивних чорних дір у процесі зіткнення, що дало астрономам потенційно новий інструмент для вимірювання чорних дір у далеких галактиках та перевірки альтернативних теорій гравітації.

Три роки тому світ був приголомшений першим в історії зображенням чорної діри. Чорна яма небуття, оточена вогняним кільцем 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

Моделювання гравітаційного лінзування в парі надмасивних чорних дір, що зливаються. Авторство: Джорді Девалаар

Техніка має лише дві вимоги. По-перше, вам знадобиться пара надмасивних чорних дір, які переживають злиття. По-друге, ви повинні дивитися на пару майже збоку. З цієї бокової точки зору, коли одна чорна діра проходить перед іншою, ви повинні мати можливість побачити яскравий спалах світла, оскільки світиться кільце чорної діри, що знаходиться далі, збільшується найближчою до вас чорною дірою, явищем це відоме як гравітаційне лінзування.

Ефект лінзування добре відомий, але те, що дослідники виявили тут, було прихованим сигналом: характерним зниженням яскравості, що відповідає «тінь» чорної діри на задній панелі. Це тонке затемнення може тривати від кількох годин до кількох днів, залежно від того, наскільки масивні чорні діри та наскільки тісно переплетені їх орбіти. Якщо виміряти, як довго триває занурення, кажуть дослідники, ви можете оцінити розмір і форму тіні, що відкидається горизонтом подій чорної діри, точкою, звідки немає виходу, звідки ніщо не втече, навіть світло.

Симуляція злиття надмасивної чорної діри

У цій симуляції пари надмасивних чорних дір, що зливаються, чорна діра, найближча до глядача, наближається і, таким чином, виглядає синьою (кадр 1), посилюючи червону зміщену чорну діру ззаду за допомогою гравітаційного лінзування. Оскільки найближча чорна діра посилює світло чорної діри, яка знаходиться далі (кадр 2), глядач бачить яскравий спалах світла. Але коли найближча чорна діра проходить перед прірвою, або тінню, найдальшої чорної діри, глядач бачить невелике зниження яскравості (кадр 3). Цей спад яскравості (3) чітко відображається на даних кривої освітленості під зображеннями. Авторство: Джорді Девалаар

«Десяткам вчених знадобилися роки та величезні зусилля, щоб зробити це зображення чорних дір M87 з високою роздільною здатністю», – сказав перший автор дослідження Джорді Давелаар, постдок Колумбійського центру обчислювальної астрофізики Інституту Флэтірон. «Такий підхід працює лише для найбільших і найближчих чорних дір — пари в центрі M87 і потенційно нашого Чумацького Шляху».

Він додав: «З нашою технікою ви вимірюєте яскравість чорних дір у часі, вам не потрібно розрізняти кожен об’єкт просторово. Цей сигнал має бути можливим у багатьох галактиках».

Тінь чорної діри є одночасно її найбільш загадковою та інформативною ознакою. «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.

Спостереження за злиттям надмасивних чорних дір

Спостерігаючи за злиттям надмасивної чорної діри збоку, чорна діра, найближча до глядача, збільшує чорну діру далі за допомогою ефекту гравітаційного лінзування. Дослідники виявили короткий спад яскравості, відповідний «тінь» чорної діри, що далі, дозволяючи глядачеві виміряти її розмір. Авторство: Ніколетта Баролоіні

Тіні чорної діри також можуть містити секрет 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 примирити дві конкуруючі ідеї того, як працює природа: загальну теорію відносності Ейнштейна, яка пояснює великі явища, такі як обертання планет і Всесвіт, що розширюється, і квантову фізику, яка пояснює. як крихітні частинки, такі як електрони і фотони, можуть займати кілька станів одночасно.

Дослідники зацікавилися спалахом надмасивних чорних дір після того, як помітили підозрювану пару 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





Source link

Залишити коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.