Астрофизики используют эхо света, чтобы осветить черные дыры

Группа астрофизиков под руководством ученых из Института перспективных исследований разработала инновационную методику поиска светового эха черных дыр. Их новый метод, который облегчит измерение массы и спина черных дыр, представляет собой большой шаг вперед, поскольку он работает независимо от многих других способов, с помощью которых ученые исследовали эти параметры в прошлом.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале The Astrophysical Journal Letters, представляет метод, который может предоставить прямые доказательства того, что фотоны кружат вокруг черных дыр из-за эффекта, известного как «гравитационное линзирование».

Гравитационное линзирование возникает, когда свет проходит вблизи черной дыры и его путь искривляется под действием сильного гравитационного поля черной дыры. Этот эффект позволяет свету пройти несколько путей от источника к наблюдателю на Земле: одни лучи могут идти по прямому маршруту, а другие — обогнуть черную дыру один или несколько раз, прежде чем попасть к нам. Это означает, что свет от одного и того же источника может приходить в разное время, в результате чего возникает «эхо».

«То, что свет кружит вокруг черных дыр, вызывая эхо, теоретизировалось в течение многих лет, но такое эхо еще не было измерено», — говорит ведущий автор исследования Джордж Н. Вонг, член Школы естественных наук Института Фрэнка и Пегги Таплин и младший научный сотрудник Принстонской гравитационной инициативы в Принстонском университете. «Наш метод предлагает план проведения таких измерений, которые потенциально могут произвести революцию в нашем понимании физики черных дыр».

Метод позволяет изолировать слабые эхо-сигнатуры от более сильного прямого света, улавливаемого известными интерферометрическими телескопами, такими как телескоп Event Horizon Telescope. Вонг и один из его соавторов, Лиа Медейрос, посетитель Школы естественных наук Института и сотрудник НАСА по программе Эйнштейна в Принстонском университете, много работали в рамках сотрудничества с телескопом «Горизонт событий».

Чтобы проверить свою методику, Вонг и Медейрос вместе с Джеймсом Стоуном, профессором Школы естественных наук, и Алехандро Карденасом-Авенданьо, фейнмановским научным сотрудником Лос-Аламосской национальной лаборатории и бывшим младшим научным сотрудником Принстонского университета, провели моделирование с высоким разрешением, сделав десятки тысяч «снимков» света, проходящего вокруг сверхмассивной черной дыры, подобной той, что находится в центре галактики M87 (M87*), удаленной от Земли примерно на 55 миллионов световых лет.

Используя эти моделирования, команда продемонстрировала, что ее метод позволяет напрямую определить период задержки эха в смоделированных данных. Они считают, что их методика будет применима и к другим черным дырам, помимо M87*.

«Этот метод позволит не только подтвердить факт измерения света, вращающегося вокруг черной дыры, но и даст новый инструмент для измерения фундаментальных свойств черной дыры, — объясняет Медейрос.

Понимание этих свойств очень важно. «Черные дыры играют важную роль в формировании эволюции Вселенной», — говорит Вонг. Несмотря на то, что мы часто фокусируемся на том, как черные дыры втягивают все внутрь, они также выбрасывают большое количество энергии в окружающее пространство».

Они играют важную роль в развитии галактик, влияя на то, как, когда и где образуются звезды, и помогая определить, как эволюционирует структура самой галактики». Знание распределения масс и спинов черных дыр, а также того, как это распределение меняется со временем, значительно расширяет наше понимание Вселенной».

Измерить массу или спин черной дыры непросто. Природа аккреционного диска, а именно вращающаяся структура горячего газа и другой материи, движущейся по спирали внутрь к черной дыре, может «запутать» измерения, отмечает Вонг. Однако световое эхо обеспечивает независимое измерение массы и спина, и наличие нескольких измерений позволяет нам получить оценку этих параметров, «в которую мы действительно можем поверить», — утверждает Медейрос.

Обнаружение светового эха также может позволить ученым лучше проверить теории гравитации Альберта Эйнштейна. Используя эту технику, мы можем обнаружить вещи, которые заставят нас подумать: «Эй, это странно!» — добавляет Медейрос. «Анализ таких данных может помочь нам проверить, действительно ли черные дыры согласуются с общей теорией относительности».

Полученные командой результаты говорят о том, что можно обнаружить эхо с помощью пары телескопов — одного на Земле и одного в космосе, — работающих вместе, чтобы выполнить то, что можно назвать «интерферометрией с очень длинной базовой линией». По словам Вонга, такая интерферометрическая миссия должна быть «скромной». Их методика обеспечивает практичный способ сбора важной и достоверной информации о черных дырах, что может существенно повлиять на наше понимание физики и астрофизики. Вонг и его команда уверены, что их работа откроет новые горизонты для исследования сверхмассивных черных дыр, что, в свою очередь, может помочь разобраться в загадках формирования и эволюции галактик.

Кроме того, использование нового метода позволит астрономам установить более точные методы калибровки текущих и будущих наблюдательных средств, упрощая процесс получения данных о космосе. Команда планирует продолжить свои исследования, очищая сигналы и улучшая алгоритмы обработки данных, чтобы повысить эффективность изучения черных дыр.

Сравнительно новая концепция также предполагает возможность объединения существующих телескопов и других наблюдательных систем, что может привести к новым открытиям в области фундаментальных физики и астрономии. С расширяющейся базой данных о черных дырах ученые рассчитывают обогатить свои знания о загадочных объектах, которые веками служили предметом изучения и восхищения.