Физик-теоретик выяснил, как свет отражается возле черной дыры

Вблизи черных дыр пространство искривлено настолько, что возле них могут изгибаться даже лучи света. Это явление может позволить нам увидеть несколько версий одного и того же объекта. Хотя это явление было известно на протяжении десятилетий, только теперь у нас есть точное математическое выражение, благодаря физику-теоретику Альберту Снеппену из Института Нильса Бора.

Все мы слышали о черных дырах — чудесных сгустках гравитации, из которых не может вырваться даже свет. Возможно, вы слышали, что само пространство и даже время странно ведут себя около черных дыр.

Вблизи черной дыры пространство искривляется так сильно, что световые лучи отклоняются, а свет, который подходит близко к черной дыре может отклоняться так сильно, что несколько раз проходит вокруг черной дыры.

Следовательно, когда мы наблюдаем далекую фоновую галактику (или какое-то другое небесное тело), ​​нам может повезти увидеть одно и то же изображение галактики несколько раз, хотя и все более и более искаженное.

Галактики в нескольких версиях

Механизм показан на рисунке ниже: далекая галактика светит во всех направлениях — часть ее света приближается к черной дыре и слегка отклоняется; какой-то свет подходит еще ближе и за один раз огибает дыру, прежде чем уйти к нам, и так далее.

Находясь рядом с черной дырой, мы видим все больше и больше версий одной и той же галактики.

Насколько близко к черной дыре нужно смотреть с одного изображения, чтобы увидеть следующее? Результат известен уже более 40 лет и насчитывает около 500 раз (для поклонников математики это более точно «экспоненциальная функция двух пи», записанная как e^2π).

Вычислить это настолько сложно, что до недавнего времени еще не было математической и физической интуиции относительно того, почему это именно такой фактор. Но с помощью некоторых математических уловок Альберт Снеппен из Cosmic Dawn Center — центра фундаментальных исследований при Институте Нильса Бора и DTU Space — теперь сумел доказать, почему.

«Есть что-то фантастически красивое в понимании того, почему изображения повторяются таким элегантным образом. Кроме того, это дает новые возможности проверить наше понимание гравитации и черных дыр», — поясняет Альберт Снеппен.

Математическое доказательство приближает нас к пониманию этого чудесного явления. Фактор «500» напрямую следует из того, как работают черные дыры и гравитация, поэтому повторение изображений теперь стало способом исследовать и проверять гравитацию.

Вращающиеся черные дыры

В качестве совершенно новой функции метод Снеппена также можно обобщить для применения не только к «тривиальным» черным дырам, но и к вращающимся черным дырам.

«Оказывается, когда она вращается очень быстро, вам больше не нужно приближаться к черной дыре в 500 раз, а достаточно значительно меньше. Фактически, чтобы увидеть каждое новое изображение достаточно быть только в 50, или 5, или даже всего лишь в 2 раза ближе к краю черной дыры», — объясняет Альберт Снеппен.

Необходимость смотреть в 500 раз ближе к черной дыре для каждого нового изображения означает, что изображения быстро «сжимаются» в одно кольцевое изображение, как показано на рисунке.

На практике наблюдать за множеством изображений будет сложно. Но когда черные дыры вращаются, появляется больше места для «лишних» изображений, поэтому ученые могут надеяться подтвердить теорию наблюдениями в не столь отдаленном будущем. Таким образом, мы можем узнать не только о черных дырах, но и о галактиках, стоящих за ними:

Время прохождения света увеличивается тем больше, чем больше раз ему приходится обходить черную дыру, поэтому изображения становятся все более «запаздывающими». Если, например, звезда взорвется как сверхновая в галактике на заднем плане, можно будет видеть этот взрыв снова и снова.

Исследование было опубликовано в журнале Scientific Reports.