Моделирование гравитационного линзирования при слиянии сверхмассивных черных дыр

Ученые открыли способ измерения «теней» двух сверхмассивных черных дыр в процессе столкновения, что дало астрономам потенциально новый инструмент для измерения черных дыр в далеких галактиках и проверки альтернативных теорий гравитации.

Три года назад мир был ошеломлен первым в истории изображением черной дыры. Черная яма небытия, окруженная огненным кольцом света. Знаменитое изображение черной дыры в центре галактики Мессье 87 оказалось в центре внимания благодаря Телескопу Горизонта Событий (EHT), глобальной сети синхронизированных радиотелескопов, действующих как один гигантский телескоп.

Теперь ученые разработали потенциально более простой способ заглянуть в бездну. Новый метод визуализации может позволить астрономам изучать черные дыры меньшие по массе, чем M87 с огромной массой 6,5 миллиардов солнц, скрытые в галактиках более далеких, чем M87, которая находится на расстоянии в 55 миллионов световых лет, что все еще относительно близко к нашему Млечному Пути.

У новой техники всего два требования. Во-первых, нужна пара сверхмассивных черных дыр, находящихся в процессе слияния.

Во-вторых, нужно смотреть на пару почти сбоку. С боковой точки зрения, когда одна черная дыра проходит перед другой, наблюдатель должен увидеть яркую вспышку света, поскольку светящееся кольцо черной дыры, находящейся дальше, увеличивается ближайшей к нам черной дырой — это так называемое гравитационное линзирование.

Эффект линзирования хорошо известен, но то, что исследователи обнаружили здесь, было скрытым сигналом: отчетливое падение яркости, соответствующее «тени» черной дыры сзади. Это тонкое затемнение может длиться от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от того, насколько массивны черные дыры и насколько тесно переплетены их орбиты.

Исследователи говорят, что если измерить, как долго длится провал, возможно оценить размер и форму тени, отбрасываемой горизонтом событий черной дыры, точкой невозврата, из которой ничего не ускользает, даже свет.

«Потребовались годы работы и огромные усилия со стороны десятков ученых, чтобы сделать изображение черной дыры M87», — сказал автор исследования Джорди Давелаар из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон. «Этот подход работает только для самых больших и ближайших черных дыр — пары в сердце M87 и, возможно, нашего собственного Млечного Пути».

Он добавил: «С нашей техникой вы измеряете яркость черных дыр с течением времени, вам не нужно пространственно разрешать каждый объект. Должна быть возможность найти этот сигнал во многих галактиках».

Тень черной дыры — ее самая загадочная и информативная черта. «Это темное пятно говорит нам о размере черной дыры, форме пространства-времени вокруг нее и о том, как материя попадает в черную дыру вблизи ее горизонта», — сказал соавтор исследования Золтан Хайман, профессор физики из Колумбийского университета.

Тени черных дыр также могут содержать секрет истинной природы гравитации, одной из фундаментальных сил нашей Вселенной. Теория гравитации Эйнштейна, известная как общая теория относительности, предсказывает размер черных дыр.

Поэтому физики искали их для проверки альтернативных теорий гравитации, пытаясь примирить две конкурирующие идеи о том, как работает природа: общую теорию относительности Эйнштейна, которая объясняет крупномасштабные явления, такие как вращающиеся вокруг планеты и расширяющаяся Вселенная, и квантовую физику, которая объясняет как крошечные частицы, такие как электроны и фотоны, могут занимать несколько состояний одновременно.

Исследователи заинтересовались вспышками сверхмассивных черных дыр после обнаружения предполагаемой пары сверхмассивных черных дыр в центре далекой галактики в ранней Вселенной. Космический телескоп НАСА «Кеплер», занимающийся поиском планет, сканировал крошечные провалы в яркости, соответствующие планетам, проходящим перед своей звездой. Помимо этого Кеплер обнаружил вспышки того, что Золтан Хайман и его коллеги называют парой сливающихся черных дыр.

Они назвали далекую галактику Spikey («Шипастая») из-за всплесков яркости, вызванных предполагаемыми черными дырами, увеличивающими друг друга при каждом полном обороте за счет эффекта линзы. Чтобы узнать больше о вспышке, ученые построили модель.

Однако они были сбиты с толку, когда смоделированная ими пара черных дыр вызывала неожиданное, но периодическое падение яркости каждый раз, когда одна вращалась впереди другой. Сначала они подумали, что это ошибка кодирования. Но дальнейшая проверка заставила их поверить сигналу.

Когда они искали физический механизм, объясняющий это, они поняли, что каждое падение яркости близко соответствует времени, которое требуется черной дыре, ближайшей к наблюдателю, чтобы пройти перед тенью черной дыры сзади.

В настоящее время исследователи ищут другие данные телескопа, чтобы попытаться подтвердить провал, который они видели в данных Кеплера, чтобы убедиться, что Spikey действительно содержит пару сливающихся черных дыр. Если все подтвердится, этот метод можно будет применить к другим возможным парам слияния сверхмассивных черных дыр среди около 150 объектов, которые были обнаружены до сих пор и ожидают подтверждения.

По мере того, как в ближайшие годы появятся более мощные телескопы, могут появиться и другие возможности.

Обсерватория имени Веры Рубин (широкоугольный обзорный телескоп-рефлектор), открытие которой запланировано на этот год, будет нацелена на наблюдение более чем 100 миллионов сверхмассивных черных дыр. Дальнейшая разведка черных дыр станет возможной, когда в 2030 году в космос будет запущен детектор гравитационных волн LISA.