Skalowane „cienie” dwóch supermasywnych czarnych dziur w trakcie zderzenia

W procesie łączenia supermasywnych czarnych dziur nowy sposób pomiaru próżni

Naukowcy odkryli sposób na ilościowe określenie „cieni” dwóch supermasywnych czarnych dziur w procesie zderzenia, dając astronomom potencjalne nowe narzędzie do pomiaru czarnych dziur w odległych galaktykach i testowania alternatywnych teorii grawitacyjnych.

Trzy lata temu świat był oszołomiony pierwszym obrazem czarnej dziury. Czarna dziura znikąd otoczona pierścieniem ognistego światła. Ten kultowy 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.

Symulacja soczewek grawitacyjnych w parze supermasywnych kompaktowych czarnych dziur. Źródło: Jordi Devalar

Ta technika ma tylko dwa wymagania. Po pierwsze, potrzebujesz pary supermasywnych czarnych dziur w trakcie fuzji. Po drugie, powinieneś spojrzeć na parę pod mniej więcej bocznym kątem. Z tego widoku z boku, gdy jedna czarna dziura przechodzi przed drugą, powinieneś być w stanie zobaczyć jasny błysk światła, ponieważ świecący pierścień czarnej dziury jest powiększany przez najbliższą czarną dziurę, zjawisko znane jako soczewkowanie grawitacyjne.

Efekt soczewki jest dobrze znany, ale naukowcy odkryli tutaj subtelny sygnał: charakterystyczny spadek jasności odpowiadający „cieniu” czarnej dziury w tle. To subtelne przyciemnienie może trwać od kilku godzin do kilku dni, w zależności od wielkości czarnych dziur i tego, jak splątane są ich orbity. Naukowcy twierdzą, że jeśli zmierzysz, jak długo trwa kropla, możesz oszacować rozmiar i kształt cienia stworzonego przez horyzont zdarzeń czarnej dziury, punkt bez wyjścia, z którego nic nie ucieka, nawet światło.

W tej symulacji pary supermasywnych, połączonych czarnych dziur, czarna dziura znajdująca się najbliżej widza zbliża się i tym samym wydaje się niebieska (ramka 1), napełniając przesuniętą ku czerwieni czarną dziurę za pomocą soczewkowania grawitacyjnego. Gdy najbliższa czarna dziura wzmacnia światło czarnej dziury dalej (ramka 2), widz widzi jasny błysk światła. Ale kiedy najbliższa czarna dziura przechodzi przed przepaścią lub cieniem najdalszej czarnej dziury, widz widzi niewielki spadek jasności (ramka 3). Ten spadek jasności (3) jest wyraźnie widoczny w danych krzywej jasności pod obrazami. Źródło: Jordi Devalar

„Wykonanie tego wysokiej rozdzielczości zdjęcia czarnych dziur M87 zajęło wiele lat i ogromnego wysiłku dziesiątek naukowców” – powiedział pierwszy autor badania, Jordi Davilar, stażysta na Columbii i Flatiron Center for Computational Astrophysics. „To podejście działa tylko w przypadku największych i najbliższych czarnych dziur – pary w jądrze M87 i prawdopodobnie naszej Drogi Mlecznej”.

Dodał: „Dzięki naszej metodzie mierzysz jasność czarnych dziur w czasie i nie musisz rozdzielać przestrzennie każdego obiektu. Powinno być możliwe znalezienie tego sygnału w wielu galaktykach”.

Cień czarnej dziury jest jej najbardziej tajemniczą i pouczającą cechą. „Ta ciemna plama mówi nam o wielkości czarnej dziury, kształcie czasoprzestrzeni wokół niej oraz o tym, jak materia wpada do czarnej dziury w pobliżu jej horyzontu” – powiedział współautor Zoltan Haiman, profesor fizyki na Columbia University.

Kiedy supermasywne połączenie czarnej dziury jest obserwowane z boku, czarna dziura znajdująca się najbliżej widza powiększa czarną dziurę dalej dzięki efektowi soczewki grawitacyjnej. Naukowcy wykryli krótki spadek jasności odpowiadający „cieniu” odległej czarnej dziury, co pozwoliło widzowi ocenić jej rozmiar. Źródło: Nicoletta Barolwini

Cienie czarnej dziury mogą skrywać tajemnicę prawdziwej natury grawitacji, jednej z podstawowych sił naszego wszechświata. Teoria grawitacji Einsteina, znana jako ogólna teoria względności, przewiduje rozmiary czarnych dziur. Dlatego fizycy szukali ich, aby przetestować alternatywne teorie grawitacji, próbując pogodzić dwie konkurujące ze sobą koncepcje działania natury: ogólną teorię względności Einsteina, która wyjaśnia zjawiska wielkoskalowe, takie jak rotacja planet i rozszerzający się wszechświat, oraz fizyka kwantowa, która wyjaśnia, w jaki sposób małe cząstki, takie jak elektrony i fotony, zajmują wiele stanów jednocześnie.

Naukowcy zainteresowali się kolejnym zapłonem supermasywnych czarnych dziur Majster Podejrzewana para supermasywnych czarnych dziur w centrum odległej galaktyki we wczesnym wszechświecie.[{” 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