Слияние сверхмассивных чёрных дыр даёт нам новый инструмент для изучения Вселенной

Чёрные дыры
Компьютерная модель слияния двух сверхмассивных чёрных дыр в центре галактики PG 1302-102. Авторы и права: NASA / CXC / A. HOBART, JOSH BARNES (U. OF HAWAII), JOHN HIBBARD (NRAO).

За последние несколько лет изучение чёрных дыр значительно продвинулось вперёд.

В 2015 году первые гравитационные волны наблюдали учёные в лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Это открытие подтвердило то, что Эйнштейн предсказал столетием ранее в общей теории относительности, и предложило новое понимание процесса слияния чёрных дыр. В 2019 году учёные из коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) поделились первым изображением сверхмассивной чёрной дыры (СМЧД), которая находится в центре галактики M87.

Ранее в этом месяце исследователи из EHT объявили о том, что они также получили первое изображение Стрельца A*, чёрной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь. И вначале мая пара исследователей из Колумбийского университета объявила о новом и потенциально более простом способе изучения чёрных дыр. В частности, их метод может позволить изучать чёрные дыры размером меньше M87* в галактиках, более далёких, чем галактика M87.

Этот новый метод визуализации был разработан Золтаном Хайманом (профессором астрономии Колумбийского университета), Джорди Давелааром, астрофизиком-теоретиком из Колумбийского института Флэтайрон в Нью-Йорке и учёными из коллаборации EHT. Их метод был описан в дополнительных исследованиях, которые недавно появились в Physical Review Letters и Physical Review D. Как указывают исследователи в этих работах, их метод сочетает в себе два метода – интерферометрию и гравитационное линзирование .

Фото чёрной дыры
Первые прямые визуальные доказательства существования сверхмассивной чёрной дыры в центре эллиптической галактики Мессье 87 и её тени. Граница чёрной дыры – горизонт событий – примерно в 2,5 раза меньше, чем тень, которую она отбрасывает. Авторы и права: EHT Collaboration.

Первый метод включает в себя использование нескольких инструментов для захвата света от удалённых источников, а затем их объединение для создания составного изображения. Этот метод позволил коллаборации EHT получить изображения ярких колец, окружающих M87* и Стрелец A*. Во втором случае гравитационная сила массивного объекта (например, чёрной дыры или галактики) используется для увеличения и усиления света более удалённого объекта.

Как объясняют Хайман и Давелаар, наблюдая за двойной системой чёрных дыр с ребра, когда одна проходит перед другой (т. е. транзитом), астрономы смогут использовать гравитационную силу ближайшей ЧД, чтобы увеличить яркий диск более дальней ЧД. Однако эти наблюдения также откроют ещё одну интересную особенность. По словам Хаймана и Давелаара, когда две ЧД проходят друг перед другом, будет характерное падение яркости, соответствующее “тени” более удалённой чёрной дыры.

В зависимости от того, насколько массивны чёрные дыры и насколько тесно переплетены их орбиты, эти провалы могут длиться от нескольких часов до нескольких дней. Длина провала также может быть использована для оценки размера и формы тени, отбрасываемой горизонтом событий ЧД, точки, в которой ничто не может ускользнуть от её гравитационной хватки (даже свет).

Галактика
Массивная чёрная дыра в центре спиральной галактики. Авторы и права: NASA.

Как объяснил Давелаар в недавнем выпуске Columbia News:

“Потребовались годы и огромные усилия десятков учёных, чтобы получить изображение чёрной дыры M87 с высоким разрешением. Этот подход работает только для самых больших и ближайших чёрных дыр: в сердце M87 и, возможно, нашего Млечного Пути. С нашей техникой вы измеряете яркость чёрных дыр с течением времени, вам не нужно пространственно разрешать каждый объект. Должна быть возможность найти этот сигнал во многих галактиках”.

Как добавил Хайман, тень чёрной дыры – её самая загадочная и информативная особенность. Это тёмное пятно говорит нам о размере чёрной дыры, форме пространства-времени вокруг неё и о том, как материя попадает в чёрную дыру вблизи её горизонта. Хайман и Давелаар заинтересовались этим явлением после того, как Хайман и команда коллег обнаружили в 2020 году предполагаемую пару сверхмассивных чёрных дыр в центре галактики, существовавшей во времена ранней Вселенной.

Открытие произошло, когда команда изучала данные космического телескопа “Кеплер”, чтобы изучить далёкие звёзды на предмет крошечных провалов в яркости, которые используются для подтверждения присутствия там транзитных экзопланет (он же метод транзита). Вместо этого данные “Кеплера” показали признаки того, что эффект вспышки был вызван парой транзитных чёрных дыр, которые были видны с ребра.

Чтобы узнать больше о вспышке, Хайман обратился за помощью к Давелаару, чтобы построить модель этой вспышки. Хотя модель подтвердила всплески, она также выявила периодическое падение яркости, которое они не могли объяснить. Исключив возможность того, что это произошло из-за ошибок в модели, они определили, что сигнал был реальным, и начали искать физический механизм, который мог бы его объяснить. В конце концов они поняли, что каждое падение точно соответствует времени, которое потребовалось ЧД для прохождения относительно наблюдателя.

Чёрные дыры
Впечатление художника о двух чёрных дырах, которые вот-вот сольются. Авторы и права: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO / GETTY IMAGES.

Обнаружение этой тени может иметь огромное значение как для астрофизиков, так и для квантовых физиков. Астрофизики искали эти тени в рамках продолжающихся усилий по проверке Общей теории относительности в самых экстремальных условиях и средах. Эти тесты могут привести к новому пониманию того, как взаимодействуют гравитация и квантовые силы, что позволит физикам окончательно решить вопрос о том, как именно работают вместе четыре фундаментальные силы природы – электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие и гравитация.

На протяжении десятилетий учёные понимали, как работают три силы, управляющие всеми взаимодействиями материи и энергии. В то время как общая теория относительности описывает, как гравитация (самая слабая из четырёх сил) работает сама по себе, все попытки найти способ объяснить её в квантовых терминах потерпели неудачу. В результате теория “квантовой гравитации”, или Теория Всего, ускользнула даже от величайших научных умов. Сюда входят Эйнштейн и Стивен Хокинг, которые посвятили поиску одного из них большую часть своей научной карьеры.

Тем временем Хайман и Давелаар в настоящее время ищут другие данные с телескопов, чтобы подтвердить наблюдения “Кеплера” и убедиться, что обнаруженная ими вспышка действительно вызвана парой сливающихся чёрных дыр. Если и когда их метод будет подтверждён, он, вероятно, будет применён к примерно 150 парам сливающихся сверхмассивных чёрных дыр, которые наблюдались, но всё ещё ожидают подтверждения. В ближайшие годы появятся телескопы следующего поколения, которые предоставят больше возможностей для тестирования этой техники.

Примеры включают обсерваторию имени Веры Рубин, массивный телескоп в Чили, открытие которого запланировано на конец этого года.

Больше информации: Physical Review Letters
Присоединяйся

Вы могли пропустить:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Поддержите сайт лайком!


Я буду рад, если вы вступите в мою группу во Вконтакте, а также подпишитесь в других социальных сетях, где вы найдёте ещё больше интересных снимков, артов, новостей и фактов о нашей замечательной Вселенной.

Благодарю за внимание :)