Измерване на “сенките” на две сблъскващи се супермасивни черни дупки

В тази симулация на свръхмасивно сливане на черна дупка, изместената в синьо черна дупка, която е най-близо до зрителя, усилва червено-изместената черна дупка отзад чрез гравитационно лещи. Изследователите откриха рязък спад в яркостта, когато най-близката черна дупка минаваше пред сянката на своя колега, наблюдение, което може да се използва за измерване на размера на двете черни дупки и тестване на алтернативни теории за гравитацията. 1 кредит

Вътре в двойка слети свръхмасивни черни дупки, нов начин за измерване на вакуума

Учените са открили начин за измерване на “сенките” на две сблъскващи се супермасивни черни дупки, давайки на астрономите потенциално нов инструмент за измерване на черни дупки в далечни галактики и тестване на алтернативни теории за гравитацията.

Преди три години светът беше зашеметен от първото по рода си изображение на черна дупка. Черна яма на нищото, заобиколена от огнен пръстен от светлина. Този емблематичен образ на[{” 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.

Симулация на гравитационно лещи в двойка слети свръхмасивни черни дупки. 1 кредит

Техниката има само две изисквания. Първо, имате нужда от двойка сливащи се супермасивни черни дупки. Второ, трябва да погледнете двойката от почти страничен ъгъл. От тази странична перспектива, когато една черна дупка минава пред друга, трябва да можете да видите светкавица, тъй като светлинният пръстен от най-отдалечената черна дупка се усилва от най-близката до вас черна дупка, феноменът е това, което се нарича гравитационна леща.

Ефектът на лещата е добре известен, но това, което изследователите откриха тук, беше скрит сигнал: характерен спад в яркостта, съответстващ на “сянка” на черната дупка отзад. Това фино затъмняване може да продължи от няколко часа до няколко дни, в зависимост от масата на черните дупки и плътността на техните орбити. Ако измерите продължителността на коритото, казват изследователите, можете да оцените размера и формата на сянката, хвърляна от хоризонта на събитията на черната дупка, точката без изход, където нищо не излиза, дори светлината.

Симулация на сливане на свръхмасивна черна дупка

В тази симулация на двойка обединени супермасивни черни дупки, черната дупка, която е най-близо до зрителя, се приближава и следователно изглежда синя (изображение 1), увеличавайки изместената в червено черна дупка отзад чрез гравитационно лещи. Тъй като най-близката черна дупка усилва светлината от най-далечната черна дупка (изображение 2), зрителят вижда светкавица. Но когато най-близката черна дупка минава пред пропастта или сянката на най-далечната черна дупка, зрителят вижда леко намаляване на яркостта (изображение 3). Този спад в яркостта (3) е ясно видим в данните за светлинната крива под изображенията. 1 кредит

“Отнеха години и значителни усилия на десетки учени, за да създадат това изображение с висока разделителна способност на черните дупки на M87”, каза първият автор на изследването Джорди Давелаар, постдокторант в Колумбия и Центъра за наука. Изчислителна астрофизика от Flatiron Institute. “Този подход работи само за най-големите и най-близки черни дупки – двойката в ядрото на M87 и потенциално нашия собствен Млечен път.”

Той добави: „С нашата техника измервате яркостта на черните дупки във времето, не е нужно да разрешавате всеки обект в пространството. Би трябвало да е възможно да се намери този сигнал в много галактики.

Сянката на черна дупка е нейната най-загадъчна и най-информативна характеристика. „Това тъмно петно ​​ни казва за размера на черната дупка, формата на пространството-времето около нея и как материята попада в черната дупка близо до хоризонта й“, каза съавторът Золтан Хайман, професор по физика в Колумбия.

Наблюдаване на сливането на свръхмасивни черни дупки

Наблюдавайки сливане на свръхмасивни черни дупки отстрани, черната дупка, която е най-близо до зрителя, увеличава черната дупка допълнително чрез гравитационно лещи. Изследователите откриха кратък спад в яркостта, съответстващ на “сянката” на по-далечната черна дупка, позволявайки на зрителя да прецени нейния размер. 1 кредит

Сенките на черните дупки също могат да крият тайната на истинската природа на гравитацията, една от основните сили в нашата вселена. Теорията на Айнщайн за гравитацията, известна като обща теория на относителността, предсказва размера на черните дупки. Така че физиците ги потърсиха, за да тестват алтернативни теории на гравитацията в опит да съгласуват две конкуриращи се идеи за това как работи природата: общата теория на относителността на Айнщайн, която обяснява мащабни явления като орбитални планети и разширяваща се Вселена, и квантовата физика, която обяснява как малките частици като електроните и фотоните могат да заемат множество състояния наведнъж.

Изследователите се интересуват от разпространението на свръхмасивни черни дупки, след като забелязват предполагаема двойка свръхмасивни черни дупки в центъра на далечна галактика в ранната вселена.[{” 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

Add Comment