V procese spájania supermasívnych čiernych dier, nový spôsob merania vákua

Vedci objavili spôsob, ako kvantifikovať „tiene“ dvoch supermasívnych čiernych dier v procese zrážky, čo dáva astronómom potenciálny nový nástroj na meranie čiernych dier vo vzdialených galaxiách a testovanie alternatívnych gravitačných teórií.

Pred tromi rokmi svet ohromil prvý obraz čiernej diery. Čierna diera z ničoho nič obklopená prstencom ohnivého svetla. Ten ikonický obraz[{“ 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.

Simulácia gravitačných šošoviek v páre supermasívnych kompaktných čiernych dier. Poďakovanie: Jordi Devalar

Táto technika má len dve požiadavky. Najprv potrebujete pár supermasívnych čiernych dier uprostred zlúčenia. Po druhé, mali by ste sa na pár pozerať zhruba v bočnom uhle. Z tohto bočného pohľadu, keď jedna čierna diera prechádza pred druhou, by ste mali byť schopní vidieť jasný záblesk svetla, keď je žiariaci prstenec čiernej diery zväčšený preč od čiernej diery, ktorá je vám najbližšie, jav známy ako gravitačné šošovky.

Účinok šošovky je dobre známy, ale to, čo tu vedci objavili, bol jemný signál: charakteristický pokles jasu zodpovedajúci „tieňu“ čiernej diery v pozadí. Toto jemné stmievanie môže trvať od niekoľkých hodín do niekoľkých dní, v závislosti od veľkosti čiernych dier a od toho, ako sú ich obežné dráhy prepletené. Ak zmeriate, ako dlho kvapka trvá, vedci tvrdia, že môžete odhadnúť veľkosť a tvar tieňa vytvoreného horizontom udalostí čiernej diery, bodom bez východu, odkiaľ nič neunikne, dokonca ani svetlo.

V tejto simulácii dvojice supermasívnych zlúčených čiernych dier sa čierna diera, ktorá je najbližšie k divákovi, priblíži, a preto sa javí ako modrá (rámček 1), čím sa nafúkne čierna diera posunutá do červena cez gravitačnú šošovku. Keď najbližšia čierna diera zosilňuje svetlo čiernej diery ďalej (rámček 2), divák vidí jasný záblesk svetla. Keď však najbližšia čierna diera prejde pred priepasťou alebo tieňom najvzdialenejšej čiernej diery, divák uvidí mierny pokles jasu (rámček 3). Toto zníženie jasu (3) je jasne viditeľné na údajoch svetelnej krivky pod obrázkami. Poďakovanie: Jordi Devalar

„Vytvorenie tohto obrazu čiernych dier M87 s vysokým rozlíšením trvalo roky a obrovské úsilie desiatok vedcov,“ povedal prvý autor štúdie Jordi Davilar, postdoktor z Columbie a Flatiron Center for Computational Astrophysics. „Tento prístup funguje len s najväčšími a najbližšími čiernymi dierami – párom v jadre M87 a možno aj našej Mliečnej dráhy.“

Dodal: „S našou metódou meriate jas čiernych dier v priebehu času a nepotrebujete priestorovo rozlíšiť každý objekt. Tento signál by malo byť možné nájsť v mnohých galaxiách.“

Tieň čiernej diery je jej najzáhadnejšou a najpoučnejšou črtou. „Tá tmavá škvrna nám hovorí o veľkosti čiernej diery, tvare časopriestoru okolo nej a o tom, ako hmota padá do čiernej diery blízko jej horizontu,“ povedal spoluautor Zoltan Haiman, profesor fyziky na Kolumbijskej univerzite.

Keď sa supermasívne zlučovanie čiernej diery pozoruje zboku, čierna diera najbližšie k divákovi zväčšuje čiernu dieru ďalej pôsobením gravitačnej šošovky. Výskumníci zaznamenali krátky pokles jasu zodpovedajúci „tieňu“ vzdialenej čiernej diery, čo divákovi umožnilo zmerať jej veľkosť. Poďakovanie: Nicoletta Barolwini

Tiene čiernej diery môžu skrývať tajomstvo skutočnej povahy gravitácie, jednej zo základných síl nášho vesmíru. Einsteinova teória gravitácie, známa ako všeobecná relativita, predpovedá veľkosť čiernych dier. Fyzici ich preto hľadali, aby otestovali alternatívne teórie gravitácie v snahe zosúladiť dve konkurenčné predstavy o fungovaní prírody: Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity, ktorá vysvetľuje rozsiahle javy, ako je rotácia planét a rozpínajúci sa vesmír, a kvantovú fyziku, ktorá vysvetľuje, ako malé častice, ako sú elektróny a fotóny, zaberajú viacero stavov súčasne.

Vedci sa začali zaujímať o zapálenie supermasívnych čiernych dier Predák Predpokladaný pár supermasívnych čiernych dier v strede vzdialenej galaxie v ranom vesmíre.[{“ 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