Κλιμακωμένες «σκιές» δύο υπερμεγέθων μαύρων τρυπών σε διαδικασία σύγκρουσης

Στη διαδικασία συγχώνευσης υπερμεγέθων μαύρων οπών, ένας νέος τρόπος μέτρησης του κενού

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν τρόπο να ποσοτικοποιήσουν τις «σκιές» δύο υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στη διαδικασία σύγκρουσης, δίνοντας στους αστρονόμους ένα πιθανό νέο εργαλείο για τη μέτρηση των μαύρων οπών σε μακρινούς γαλαξίες και τη δοκιμή εναλλακτικών βαρυτικών θεωριών.

Πριν από τρία χρόνια, ο κόσμος έμεινε έκπληκτος από την πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας. Μια μαύρη τρύπα από το πουθενά που περιβάλλεται από ένα δαχτυλίδι πύρινου φωτός. Αυτή η εμβληματική εικόνα του[{” 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.

Προσομοίωση βαρυτικών φακών σε ένα ζευγάρι υπερμεγέθων συμπαγών μαύρων τρυπών. Credit: Jordi Devalar

Αυτή η τεχνική έχει μόνο δύο απαιτήσεις. Πρώτον, χρειάζεστε ένα ζευγάρι υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στη μέση μιας συγχώνευσης. Δεύτερον, θα πρέπει να κοιτάξετε το ζευγάρι σε περίπου πλάγια γωνία. Από αυτή την πλάγια όψη, όταν η μία μαύρη τρύπα περνά μπροστά από την άλλη, θα πρέπει να μπορείτε να δείτε μια φωτεινή λάμψη καθώς ο λαμπερός δακτύλιος της μαύρης τρύπας μεγεθύνεται μακριά από τη μαύρη τρύπα που βρίσκεται πιο κοντά σας, ένα φαινόμενο γνωστό ως βαρυτικό φακό.

Το αποτέλεσμα του φακού είναι γνωστό, αλλά αυτό που ανακάλυψαν οι ερευνητές εδώ ήταν ένα λεπτό σήμα: μια χαρακτηριστική πτώση της φωτεινότητας που αντιστοιχεί στη «σκιά» της μαύρης τρύπας στο βάθος. Αυτή η ανεπαίσθητη θαμπάδα μπορεί να διαρκέσει από μερικές ώρες έως μερικές ημέρες, ανάλογα με το μέγεθος των μαύρων οπών και το πόσο μπερδεμένες είναι οι τροχιές τους. Εάν μετρήσετε πόσο διαρκεί η πτώση, λένε οι ερευνητές, μπορείτε να υπολογίσετε το μέγεθος και το σχήμα της σκιάς που δημιουργείται από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, το σημείο χωρίς έξοδο, όπου τίποτα δεν διαφεύγει, ούτε καν το φως.

Σε αυτή την προσομοίωση ενός ζεύγους υπερμεγέθων συγχωνευμένων μαύρων οπών, η μαύρη τρύπα που βρίσκεται πιο κοντά στον θεατή πλησιάζει και έτσι εμφανίζεται μπλε (Πλαίσιο 1), διογκώνοντας τη μαύρη τρύπα που μετατοπίστηκε από το κόκκινο πίσω μέσω ενός βαρυτικού φακού. Καθώς η πλησιέστερη μαύρη τρύπα ενισχύει το φως της μαύρης τρύπας πιο μακριά (Πλαίσιο 2), ο θεατής βλέπει μια φωτεινή λάμψη φωτός. Αλλά όταν η πλησιέστερη μαύρη τρύπα περνά μπροστά από μια άβυσσο ή τη σκιά της πιο απομακρυσμένης μαύρης τρύπας, ο θεατής βλέπει μια ελαφρά μείωση της φωτεινότητας (Πλαίσιο 3). Αυτή η μείωση της φωτεινότητας (3) είναι σαφώς ορατή στα δεδομένα της καμπύλης φωτός κάτω από τις εικόνες. Credit: Jordi Devalar

«Χρειάστηκαν χρόνια και τεράστιες προσπάθειες από δεκάδες επιστήμονες για να δημιουργηθεί αυτή η εικόνα υψηλής ανάλυσης των μαύρων τρυπών M87», δήλωσε ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Jordi Davilar, μεταδιδακτορικός στην Κολούμπια και στο Flatiron Centre for Computational Astrophysics. “Αυτή η προσέγγιση λειτουργεί μόνο με τις μεγαλύτερες και πλησιέστερες μαύρες τρύπες – το ζεύγος στον πυρήνα του M87 και πιθανώς με τον Γαλαξία μας.”

Και πρόσθεσε, “Με τη μέθοδό μας, μετράτε τη φωτεινότητα των μαύρων τρυπών με την πάροδο του χρόνου και δεν χρειάζεται να επιλύετε χωρικά κάθε αντικείμενο. Θα πρέπει να είναι δυνατό να βρεθεί αυτό το σήμα σε πολλούς γαλαξίες.”

Η σκιά της μαύρης τρύπας είναι το πιο μυστηριώδες και διδακτικό χαρακτηριστικό της. «Αυτό το σκοτεινό σημείο μας λέει για το μέγεθος της μαύρης τρύπας, το σχήμα του χωροχρόνου γύρω της και πώς η ύλη πέφτει στη μαύρη τρύπα κοντά στον ορίζοντά της», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Zoltan Haiman, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Columbia.

Όταν μια υπερμεγέθης συγχώνευση μαύρης τρύπας παρατηρείται από το πλάι, η μαύρη τρύπα που βρίσκεται πιο κοντά στον θεατή μεγεθύνει τη μαύρη τρύπα πιο μακριά με την επίδραση ενός βαρυτικού φακού. Οι ερευνητές εντόπισαν μια μικρή πτώση στη φωτεινότητα που αντιστοιχεί στη «σκιά» της μακρινής μαύρης τρύπας, επιτρέποντας στον θεατή να μετρήσει το μέγεθός της. Credit: Νικολέττα Παρολίνη

Οι σκιές μιας μαύρης τρύπας μπορεί να κρύβουν το μυστικό της αληθινής φύσης της βαρύτητας, μιας από τις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντός μας. Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν, γνωστή ως γενική σχετικότητα, προβλέπει το μέγεθος των μαύρων τρυπών. Ως εκ τούτου, οι φυσικοί τα αναζήτησαν για να δοκιμάσουν εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας σε μια προσπάθεια να συμφιλιώσουν δύο ανταγωνιστικές ιδέες για το πώς λειτουργεί η φύση: τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν, η οποία εξηγεί μεγάλης κλίμακας φαινόμενα όπως η περιστροφή των πλανητών και το διαστελλόμενο σύμπαν και η κβαντική φυσική, η οποία εξηγεί πώς μικρά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια καταλαμβάνουν πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα.

Οι ερευνητές ενδιαφέρθηκαν για την ανάφλεξη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στη συνέχεια Επιστάτης Ένα ύποπτο ζευγάρι υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στο κέντρο ενός μακρινού γαλαξία στο πρώιμο σύμπαν.[{” 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