Măsurarea „umbrelor” a două găuri negre supermasive care se ciocnesc

În această simulare a unei fuziuni a unei găuri negre supermasive, gaura neagră deplasată spre albastru, cea mai apropiată de privitor, amplifică gaura neagră deplasată spre roșu din spate prin lentilă gravitațională. Cercetătorii au descoperit o scădere bruscă a luminozității pe măsură ce cea mai apropiată gaură neagră a trecut prin fața umbrei omologului său, o observație care ar putea fi folosită pentru a măsura dimensiunea celor două găuri negre și pentru a testa teorii alternative ale gravitației. 1 credit

În interiorul unei perechi de găuri negre supermasive îmbinate, o nouă modalitate de a măsura vidul

Oamenii de știință au descoperit o modalitate de a măsura „umbrele” a două găuri negre supermasive care se ciocnesc, oferind astronomilor un instrument potențial nou pentru a măsura găurile negre din galaxii îndepărtate și a testa teorii alternative ale gravitației.

În urmă cu trei ani, lumea a fost uluită de prima imagine a unei găuri negre. O groapă neagră de neant înconjurată de un inel de lumină de foc. Această imagine iconică a gaură neagră în centrul galaxiei, Messier 87 a fost dezvoltat folosind Event Horizon Telescope (EHT), o rețea globală de antene radio-sincronizate care acționează ca un telescop gigant.

Acum, doi cercetători de la Columbia au venit cu o modalitate potențial mai simplă de a privi în abis. Descris în studii suplimentare de cercetare în Scrisori de examinare fizică și Examenul fizic D, tehnica lor imagistică le-ar putea permite astronomilor să studieze găurile negre mai mici decât cele ale lui M87, un monstru cu o masă de 6,5 miliarde de sori, găzduit în galaxii mai îndepărtate decât M87, care la 55 de milioane de ani lumină de soare, este încă relativ aproape de a noastră. Calea lactee.

O simulare a lentilelor gravitaționale într-o pereche de găuri negre supermasive îmbinate. 1 credit

Tehnica are doar două cerințe. În primul rând, aveți nevoie de o pereche de găuri negre supermasive care se îmbină. În al doilea rând, trebuie să priviți perechea dintr-un unghi aproape lateral. Din această perspectivă laterală, pe măsură ce o gaură neagră trece în fața celeilalte, ar trebui să poți vedea un fulger de lumină, deoarece inelul de lumină de la cea mai îndepărtată gaură neagră este amplificat de gaura neagră cea mai apropiată de tine, un fenomen este ceea ce se numește lentila gravitațională.

Efectul lentilelor este bine cunoscut, dar ceea ce cercetătorii au descoperit aici a fost un semnal ascuns: o scădere caracteristică a luminozității corespunzătoare „umbrei” găurii negre din spate. Această diminuare subtilă poate dura de la câteva ore până la câteva zile, în funcție de masa găurilor negre și de etanșeitatea orbitelor acestora. Dacă măsurați durata jgheabului, spun cercetătorii, puteți estima dimensiunea și forma umbrei aruncate de orizontul evenimentelor găurii negre, punctul fără ieșire, de unde nu scapă nimic, nici măcar lumina.

În această simulare a unei perechi de găuri negre supermasive îmbinate, gaura neagră cea mai apropiată de privitor se apropie și, prin urmare, apare albastră (imaginea 1), mărind gaura neagră deplasată în roșu din spate prin lentilă gravitațională. Pe măsură ce gaura neagră mai apropiată amplifică lumina de la gaura neagră mai îndepărtată (imaginea 2), privitorul vede un fulger de lumină. Dar când cea mai apropiată gaură neagră trece prin fața prăpastiei sau umbrei celei mai îndepărtate găuri negre, privitorul vede o scădere ușoară a luminozității (imaginea 3). Această scădere a luminozității (3) este clar vizibilă în datele curbei luminii de sub imagini. 1 credit

„A fost nevoie de ani și de efort considerabil de către zeci de oameni de știință pentru a crea această imagine de înaltă rezoluție a găurilor negre ale lui M87”, a declarat primul autor al studiului, Jordy Davelaar, un postdoctoral la Columbia și Centrul pentru Știință, Computational Astrophysics de la Institutul Flatiron. „Această abordare funcționează numai pentru cele mai mari și mai apropiate găuri negre – perechea din centrul M87 și, potențial, propria noastră Cale Lactee”.

El a adăugat: „Cu tehnica noastră, măsori luminozitatea găurilor negre în timp, nu trebuie să rezolvi fiecare obiect din spațiu. Ar trebui să fie posibil să găsim acest semnal în multe galaxii.

Umbra unei găuri negre este atât cea mai misterioasă, cât și cea mai informativă caracteristică. „Această pată întunecată ne spune despre dimensiunea găurii negre, despre forma spațiu-timpului din jurul ei și despre modul în care materia cade în gaura neagră de lângă orizont”, a spus coautorul Zoltan Haiman, profesor de fizică la Columbia.

Observând o fuziune a găurilor negre supermasive din lateral, gaura neagră cea mai apropiată de privitor mărește și mai mult gaura neagră prin lentile gravitaționale. Cercetătorii au descoperit o scurtă scădere a luminozității corespunzătoare „umbrei” găurii negre mai îndepărtate, permițând privitorului să-și măsoare dimensiunea. 1 credit

Umbrele găurilor negre pot deține, de asemenea, secretul adevăratei naturi a gravitației, una dintre forțele fundamentale din universul nostru. Teoria gravitației a lui Einstein, cunoscută sub numele de relativitate generală, prezice dimensiunea găurilor negre. Așadar, fizicienii i-au căutat pentru a testa teorii alternative ale gravitației, în încercarea de a reconcilia două idei concurente despre modul în care funcționează natura: relativitatea generală a lui Einstein, care explică fenomene la scară mare, cum ar fi planetele în orbita și expansiunea universului, și fizica cuantică, care explică modul în care particulele minuscule. precum electronii și fotonii pot ocupa mai multe stări simultan.

După aceea, cercetătorii au devenit interesați de izbucnirea găurilor negre supermasive urmărire o pereche suspectată de găuri negre supermasive în centrul unei galaxii îndepărtate din universul timpuriu. NasaTelescopul spațial Kepler, un vânător de planete, căuta micile picături de luminozitate corespunzătoare trecerii unei planete în fața stelei gazdă. În schimb, Kepler a ajuns să detecteze erupții a ceea ce Haiman și colegii săi pretind a fi o pereche de găuri negre îmbinate.

Ei au numit galaxia îndepărtată „Spikey” pentru vârfurile de luminozitate declanșate de presupusele sale găuri negre care se măresc reciproc cu fiecare rotație completă prin lentilă. Pentru a afla mai multe despre erupție, Haiman a construit un model cu postdoctoratul său, Davelaar.

Au fost confuzi, totuși, când perechea lor de găuri negre simulate a produs o scădere neașteptată, dar periodică, a luminozității de fiecare dată când una s-a rotit pe lângă cealaltă. La început au crezut că este o eroare de codare. Dar verificările ulterioare i-au determinat să aibă încredere în semnal.

În timp ce căutau un mecanism fizic care să-l explice, și-au dat seama că fiecare scădere a luminozității corespundea îndeaproape cu timpul necesar pentru ca gaura neagră cea mai apropiată de privitor să treacă în fața umbrei găurii negre din spate.

Cercetătorii caută acum mai multe date ale telescopului pentru a încerca să confirme scăderea pe care au văzut-o în datele Kepler pentru a verifica că Spikey găzduiește de fapt o pereche de găuri negre îmbinate. Dacă totul este adevărat, tehnica ar putea fi aplicată la o mână de alte perechi suspectate de găuri negre supermasive care fuzionează printre cele aproximativ 150 care au fost observate până acum și care așteaptă confirmarea.

Pe măsură ce telescoape mai puternice vor veni online în următorii ani, pot apărea și alte oportunități. Observatorul Vera Rubin, care urmează să fie deschis în acest an, vizează peste 100 de milioane de găuri negre supermasive. O altă recunoaștere a găurilor negre va fi posibilă atunci când detectorul de unde gravitaționale al NASA, LISA, va fi lansat în spațiu în 2030.

„Chiar dacă doar o mică parte din aceste găuri binare de găuri negre au condițiile potrivite pentru a măsura efectul propus, am putea găsi multe dintre aceste jgheaburi de găuri negre”, a spus Davelaar.

Referinte:

„Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” de Jordy Davelaar și Zoltán Haiman, 9 mai 2022, Scrisori de examinare fizică.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

„Erupții cu lentilă automată din binarele găurii negre: urmărirea generală relativistică a razelor binare ale găurilor negre” de Jordy Davelaar și Zoltán Haiman, 9 mai 2022, Examenul fizic D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010