Két szupermasszív fekete lyuk méretezett „árnyéka” az ütközés folyamatában

A szupermasszív fekete lyukak egyesítésének folyamatában a vákuum mérésének új módja

A tudósok felfedeztek egy módot két szupermasszív fekete lyuk „árnyékának” számszerűsítésére az ütközés folyamatában, így a csillagászok potenciális új eszközt kínálnak a távoli galaxisok fekete lyukainak mérésére és alternatív gravitációs elméletek tesztelésére.

Három évvel ezelőtt a világot megdöbbentette a fekete lyuk első képe. Egy fekete lyuk a semmiből, tüzes fénygyűrűvel körülvéve. Az ikonikus kép[{” 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.

Gravitációs lencsék szimulációja egy pár szupermasszív, kompakt fekete lyukban. Köszönetnyilvánítás: Jordi Devalar

Ennek a technikának csak két követelménye van. Először is szüksége van egy pár szupermasszív fekete lyukra az egyesülés kellős közepén. Másodszor, nagyjából oldalsó szögben kell néznie a párt. Ebből az oldalnézetből, amikor az egyik fekete lyuk elhalad a másik előtt, látnia kell egy erős fényvillanást, amint a fekete lyuk izzó gyűrűjét kinagyítja a hozzád legközelebb eső fekete lyuk, ezt a jelenséget ún. gravitációs lencsék.

A lencse hatása jól ismert, de amit a kutatók itt felfedeztek, az egy finom jel volt: a háttérben lévő fekete lyuk „árnyékának” megfelelő fényerősség jellegzetes csökkenése. Ez a finom elsötétülés néhány órától néhány napig tarthat, attól függően, hogy mekkora a fekete lyuk, és mennyire összefonódott a pályájuk. Ha megmérjük, mennyi ideig tart a csepp, a kutatók szerint megbecsülhetjük a fekete lyuk eseményhorizontja által létrehozott árnyék méretét és alakját, vagyis azt a pontot, ahol nincs kijárat, ahonnan semmi sem szökik ki, még a fény sem.

Ebben a szimulációban, amely egy pár szupermasszív összeolvadt fekete lyukat ábrázol, a nézőhöz legközelebb eső fekete lyuk közelebb kerül, és így kéknek tűnik (1. doboz), ami egy gravitációs lencsén keresztül felfújja a mögötte lévő vörös eltolódású fekete lyukat. Ahogy a legközelebbi fekete lyuk távolabb erősíti a fekete lyuk fényét (2. doboz), a néző erős fényvillanást lát. De amikor a legközelebbi fekete lyuk elhalad egy szakadék vagy a legtávolabbi fekete lyuk árnyéka előtt, a néző enyhén csökken a fényereje (3. keret). Ez a fényerő csökkenés (3) jól látható a képek alatti fénygörbe adatain. Köszönetnyilvánítás: Jordi Devalar

„Évekbe és több tucat tudós óriási erőfeszítésébe került, hogy elkészítsék az M87-es fekete lyukak nagy felbontású képét” – mondta a tanulmány első szerzője, Jordi Davilar, a Columbia és a Flatiron Számítógépes Asztrofizikai Központ posztdoktorija. „Ez a megközelítés csak a legnagyobb és legközelebbi fekete lyukakkal működik – az M87 magjában lévő párral és esetleg a Tejútrendszerünkkel.”

Hozzátette: „Módszerünkkel a fekete lyukak fényességét méri az idő múlásával, és nincs szükség az egyes objektumok térbeli felbontására. Sok galaxisban meg kell találni ezt a jelet.”

A fekete lyuk árnyéka a legtitokzatosabb és legtanulságosabb tulajdonsága. „Ez a sötét folt elárulja nekünk a fekete lyuk méretét, a körülötte lévő téridő alakját, és azt, hogy az anyag hogyan esik a horizontjához közeli fekete lyukba” – mondta Zoltan Haiman, a Columbia Egyetem fizikaprofesszora.

Ha oldalról szupermasszív fekete lyuk egyesülést figyelünk meg, a szemlélőhöz legközelebb eső fekete lyuk egy gravitációs lencse hatására távolabbi kinagyítja a fekete lyukat. A kutatók a távoli fekete lyuk „árnyékának” megfelelő fényerő-csökkenést észleltek, ami lehetővé tette a néző számára, hogy felmérje annak méretét. Köszönetnyilvánítás: Nicoletta Barolwini

Egy fekete lyuk árnyékai rejthetik a gravitáció valódi természetének titkát, amely világegyetemünk egyik alapvető ereje. Einstein gravitációs elmélete, az általános relativitáselmélet, megjósolja a fekete lyukak méretét. Ezért a fizikusok arra törekedtek, hogy alternatív gravitációs elméleteket teszteljenek, hogy összeegyeztessék a természet működésére vonatkozó két egymással versengő elképzelést: Einstein általános relativitáselméletét, amely megmagyarázza a nagy léptékű jelenségeket, mint például a bolygók forgását és a táguló univerzum, és a kvantumfizikát, amely elmagyarázza, hogy a kis részecskék, például az elektronok és a fotonok hogyan foglalnak el egyszerre több állapotot.

A kutatókat ezután a szupermasszív fekete lyukak meggyújtása kezdte érdekelni Művezető Szupermasszív fekete lyukak feltételezett párja egy távoli galaxis közepén a korai univerzumban.[{” 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