Zmenšené „stíny“ dvou supermasivních černých děr v procesu srážky

V procesu slučování supermasivních černých děr, nový způsob měření vakua

Vědci objevili způsob, jak kvantifikovat „stíny“ dvou supermasivních černých děr v procesu srážky, což astronomům poskytuje potenciální nový nástroj pro měření černých děr ve vzdálených galaxiích a testování alternativních gravitačních teorií.

Před třemi lety svět ohromil první snímek černé díry. Černá díra z ničeho nic obklopená prstencem ohnivého světla. Ten ikonický obrázek[{“ 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.

Simulace gravitačních čoček v páru supermasivních kompaktních černých děr. Kredit: Jordi Devalar

Tato technika má pouze dva požadavky. Nejprve potřebujete pár supermasivních černých děr uprostřed sloučení. Za druhé, měli byste se na pár dívat zhruba z bočního úhlu. Z tohoto bočního pohledu, když jedna černá díra prochází před druhou, byste měli být schopni vidět jasný záblesk světla, když je zářící prstenec černé díry zvětšen černou dírou nejblíže k vám, jev známý jako gravitační čočky.

Efekt čočky je dobře znám, ale to, co zde vědci objevili, byl jemný signál: charakteristický pokles jasu odpovídající „stínu“ černé díry v pozadí. Toto jemné stmívání může trvat několik hodin až několik dní, v závislosti na velikosti černých děr a na tom, jak jsou jejich oběžné dráhy propletené. Pokud změříte, jak dlouho kapka trvá, říkají vědci, můžete odhadnout velikost a tvar stínu vytvořeného horizontem událostí černé díry, bodem, odkud nic neunikne, dokonce ani světlo.

„Vytvoření tohoto snímku černých děr M87 ve vysokém rozlišení trvalo roky a obrovské úsilí desítek vědců,“ řekl první autor studie, Jordi Davilar, postdoktor z Columbie a Flatiron Center for Computational Astrophysics. „Tento přístup funguje pouze s největšími a nejbližšími černými dírami – párem v jádru M87 a možná i naší Mléčné dráhy.“

Dodal: „S naší metodou měříte jas černých děr v průběhu času a nepotřebujete prostorově rozlišovat každý objekt. Tento signál by mělo být možné najít v mnoha galaxiích.“

Stín černé díry je její nejtajemnější a nejpoučnější rys. „Ta tmavá skvrna nám říká o velikosti černé díry, tvaru časoprostoru kolem ní a o tom, jak hmota padá do černé díry blízko jejího horizontu,“ řekl spoluautor Zoltan Haiman, profesor fyziky na Kolumbijské univerzitě.

Stíny černé díry mohou skrývat tajemství skutečné povahy gravitace, jedné ze základních sil našeho vesmíru. Einsteinova teorie gravitace, známá jako obecná teorie relativity, předpovídá velikost černých děr. Fyzici je proto hledali, aby otestovali alternativní teorie gravitace ve snaze uvést do souladu dvě konkurenční představy o tom, jak příroda funguje: Einsteinovu obecnou teorii relativity, která vysvětluje rozsáhlé jevy, jako je rotace planet a rozpínající se vesmír, a kvantovou fyziku, která vysvětluje, jak malé částice, jako jsou elektrony a fotony, zaujímají více stavů současně.

Výzkumníci se začali zajímat o zapálení supermasivních černých děr Předák Podezřelý pár supermasivních černých děr ve středu vzdálené galaxie v raném vesmíru.[{“ 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