Из-за гравитационного линзирования фотоны одной вспышки света следуют извилистыми путями вблизи черной дыры. Некоторые следуют по траектории синей линии, выбирая прямой путь к зрителю. Другие вращаются вокруг черной дыры один раз, следуя по пути, указанному красной пунктирной линией. Другие по-прежнему дважды вращаются вокруг черной дыры, следуя зеленой пунктирной линии. Поскольку разные пути имеют разную временную задержку, фотоны прибывают один за другим, и первоначальная вспышка света кажется эхом. Фото предоставлено: Джордж Н. Вонг
Команда астрофизиков под руководством ученых из Института перспективных исследований разработала инновационную методику поиска светового эха от черных дыр. Их новый метод, который облегчит измерение массы и вращения черных дыр, представляет собой крупный прогресс, поскольку он работает независимо от многих других методов, которые ученые использовали для изучения этих параметров в прошлом.
Исследование, опубликованное сегодня в The Astrophysical Journal Letters, представляет метод, который может предоставить прямые доказательства того, что фотоны вращаются вокруг черных дыр благодаря эффекту, известному как «гравитационное линзирование».
Гравитационное линзирование происходит, когда свет проходит вблизи черной дыры и его путь отклоняется сильным гравитационным полем черной дыры. Этот эффект позволяет свету проходить несколько путей от источника к наблюдателю на Земле: некоторые лучи света могут следовать прямым путем, в то время как другие могут обойти черную дыру один или несколько раз, прежде чем достичь нас. Это означает, что свет от одного и того же источника может приходить в разное время, что приводит к «эху».
«Тот факт, что свет вращается вокруг черных дыр и вызывает эхо, выдвигался в течение многих лет, но такое эхо еще не было измерено», — говорит ведущий автор исследования Джордж Н. Вонг, Фрэнк и Пегги Тэплин, члены Школы естественных наук института. Младший научный сотрудник Принстонской гравитационной инициативы Принстонского университета. «Наш метод обеспечивает основу для проведения этих измерений, которые потенциально могут революционизировать наше понимание физики черных дыр».
Этот метод позволяет изолировать слабые эхо-сигналы от более сильного прямого света, улавливаемого известными интерферометрическими телескопами, такими как телескоп горизонта событий. И Вонг, и один из его соавторов, Лия Медейрос, посетитель Школы естественных наук института и научный сотрудник НАСА по Эйнштейну в Принстонском университете, активно работали в рамках сотрудничества по телескопам горизонта событий.
Чтобы проверить свою технику, Вонг и Медейрос провели моделирование с высоким разрешением в сотрудничестве с Джеймсом Стоуном, профессором Школы естественных наук, и Алехандро Карденас-Авенданьо, научным сотрудником Фейнмана в Национальной лаборатории Лос-Аламоса и бывшим научным сотрудником Принстона. Университет сделал десятки тысяч «снимков» света, движущегося вокруг сверхмассивной черной дыры, похожей на ту, что находится в центре галактики М87 (M87*). что находится примерно в 55 миллионах световых лет от Земли.
Местоположение наблюдаемого излучения относительно временной задержки между геодезическими n = 0 и n = 1, соединяющими это местоположение с наблюдателем. Изображение предоставлено: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad8650
Используя это моделирование, команда показала, что их метод может напрямую определить период задержки эха в смоделированных данных. Они полагают, что их метод будет применим и к другим черным дырам, помимо M87*.
«Этот метод не только сможет подтвердить, когда был измерен свет, вращающийся вокруг черной дыры, но также предоставит новый инструмент для измерения фундаментальных свойств черной дыры», — объясняет Медейрос.
Важно понимать эти характеристики. «Черные дыры играют важную роль в формировании эволюции Вселенной», — говорит Вонг. «Хотя мы часто фокусируемся на том, как черные дыры притягивают объекты, они также выбрасывают большое количество энергии в свое окружение».
«Они играют важную роль в эволюции галактик, влияя на то, как, когда и где формируются звезды, и помогая определить, как развивается структура самой галактики. Мы знаем распределение масс и вращений черных дыр и то, как это распределение меняется».
Измерить массу или вращение черной дыры сложно. Природа аккреционного диска, а именно вращающаяся структура горячего газа и другой материи, движущаяся по спирали внутрь к черной дыре, может «сбить с толку» измерения, отмечает Вонг. Однако световое эхо обеспечивает независимое измерение массы и вращения, а использование нескольких измерений позволяет нам получить оценку параметров, «в которые мы действительно можем верить», — объясняет Медейрос.
Обнаружение светового эха также может позволить ученым лучше проверить теории гравитации Альберта Эйнштейна. «С помощью этой техники мы можем обнаружить вещи, которые заставят нас подумать: «Эй, это странно!» — добавляет Медейрос. «Анализ таких данных может помочь нам проверить, действительно ли черные дыры соответствуют общей теории относительности».
Результаты команды предполагают, что возможно обнаружить эхо с помощью двух телескопов — одного на Земле и одного в космосе — работающих вместе, чтобы выполнить то, что можно назвать «интерферометрией со очень длинной базой». Такая интерферометрическая миссия должна быть «скромной», говорит Вонг. Их техника представляет собой удобный и практичный метод сбора важной и достоверной информации о черных дырах.
Информация от: Институтом перспективных исследований.
