Команда астрофізиків під керівництвом вчених з Інституту перспективних досліджень розробила інноваційну техніку пошуку світлового відлуння чорної діри. Їхній новий метод, який спростить вимірювання маси та обертання чорних дір, є великим кроком вперед, оскільки він працює незалежно від багатьох інших способів, якими вчені досліджували ці параметри в минулому.
Дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal Letters, представляє метод, який може надати прямі докази фотонів, що обертаються навколо чорних дір через ефект, відомий як «гравітаційне лінзування».
Гравітаційне лінзування виникає, коли світло проходить поблизу чорної діри, і його шлях вигинається сильним гравітаційним полем чорної діри. Цей ефект дозволяє світлу пройти кілька шляхів від джерела до спостерігача на Землі: деякі світлові промені можуть йти прямим маршрутом, тоді як інші можуть обертатися навколо чорної діри один або кілька разів, перш ніж досягти нас. Це означає, що світло від одного джерела може надходити в різний час, що призводить до «луни».
«Про те, що світло кружляє навколо чорних дір, спричиняючи відлуння, теоретизували протягом багатьох років, але такі відлуння ще не були виміряні», — говорить провідний автор дослідження Джордж Н. Вонг, член Френка та Пеггі Теплін у Школі природничих наук Інституту. та асоційований науковий співробітник Прінстонської гравітаційної ініціативи Прінстонського університету. «Наш метод пропонує план для проведення цих вимірювань, які потенційно можуть революціонізувати наше розуміння фізики чорних дір».
Ця техніка дозволяє ізолювати слабкі сигнатури відлуння від сильнішого прямого світла, що вловлюється добре відомими інтерферометричними телескопами, такими як Event Horizon Telescope. І Вонг, і один із його співавторів, Лія Медейрос, відвідувач Школи природничих наук Інституту та науковий співробітник NASA Ейнштейна в Прінстонському університеті, багато працювали в рамках співпраці Event Horizon Telescope Collaboration.
Щоб перевірити свою техніку, Вонг і Медейрос, працюючи разом з Джеймсом Стоуном, професором Школи природничих наук, і Алехандро Карденасом-Авенданьо, науковим співробітником Національної лабораторії Лос-Аламоса та колишнім асоційованим науковим співробітником Прінстонського університету, провели симуляції з високою роздільною здатністю, які зробили десятки тисяч «миттєвих знімків» світла, що обертається навколо надмасивної чорної діри, схожої на ту, яка знаходиться в центрі галактики M87 (M87*), яка розташована на відстані приблизно 55 мільйонів світлових років від Землі.
Використовуючи ці симуляції, команда продемонструвала, що їх метод може безпосередньо визначити період затримки відлуння в змодельованих даних. Вони вважають, що їх методика буде застосовна і для інших чорних дір, крім M87*.
«Цей метод не тільки зможе підтвердити, коли було виміряно світло, що обертається навколо чорної діри, але також забезпечить новий інструмент для вимірювання фундаментальних властивостей чорної діри», — пояснює Медейрос.
Розуміння цих властивостей є важливим. «Чорні діри відіграють значну роль у формуванні еволюції Всесвіту», — каже Вонг. «Хоча ми часто зосереджуємося на тому, як чорні діри втягують речі, вони також викидають велику кількість енергії у своє оточення.
«Вони відіграють важливу роль у розвитку галактик, впливаючи на те, як, коли та де утворюються зірки, і допомагаючи визначити, як еволюціонує структура самої галактики. Знаючи розподіл мас і обертів чорних дір, а також те, як змінюється розподіл, з часом значно покращує наше розуміння Всесвіту».
Виміряти масу або обертання чорної діри складно. Природа акреційного диска, а саме обертова структура гарячого газу та іншої матерії, що обертається всередину до чорної діри, може «заплутати» вимірювання, зазначає Вонг. Однак світлове відлуння забезпечує незалежне вимірювання маси та обертання, а наявність кількох вимірювань дозволяє нам отримати оцінку тих параметрів, «у які ми дійсно можемо повірити», — стверджує Медейрос.
Виявлення світлового відлуння може також дозволити вченим краще перевірити теорію гравітації Альберта Ейнштейна. «Використовуючи цю техніку, ми можемо знайти речі, які змусять нас подумати: «Гей, це дивно!» — додає Медейрос. «Аналіз таких даних може допомогти нам перевірити, чи справді чорні діри відповідають загальної теорії відносності».
Результати команди свідчать про те, що можливо виявити відлуння за допомогою пари телескопів — одного на Землі, а іншого в космосі — які працюють разом, щоб виконати те, що можна описати як «інтерферометрію з дуже довгою базовою лінією». Така інтерферометрична місія повинна бути лише «скромною», стверджує Вонг. Їхня техніка забезпечує зручний, практичний метод збору важливої надійної інформації про чорні діри.