Nowa metoda pomiaru pustki w parze łączących się supermasywnych czarnych dziur

Naukowcy z Uniwersytetu Columbia odkryli sposób mierzenia „cieni” dwóch supermasywnych czarnych dziur będących w procesie zderzenia, dając astronomom potencjalnie nowe narzędzie do pomiaru czarnych dziur w odległych galaktykach i testowania alternatywnych teorii grawitacji.

W symulacji połączenia supermasywnych czarnych dziur, czarna dziura przesunięta ku błękitowi znajdująca się najbliżej widza wzmacnia przesuniętą ku czerwieni czarną dziurę znajdującą się z tyłu poprzez soczewkowanie grawitacyjne. Źródło: Jordy Davelaar.

W 2019 roku świat został zaskoczony pierwszym w historii obrazem czarnej dziury. Czarna otchłań nicości otoczona ognistym pierścieniem światła. Ten ikoniczny obraz czarnej dziury w centrum galaktyki Messier 87 ujrzała światło dzienne dzięki Teleskopowi Horyzontu Zdarzeń – globalnej sieci zsynchronizowanych anten radiowych działających jak jeden olbrzymi teleskop.

Teraz, dwójka naukowców z UC opracowała potencjalnie łatwiejszy sposób spoglądania w otchłań. Ich technika obrazowania, opisana w uzupełniających się publikacjach w Physical Review Letters i Physical Review D, może pozwolić astronomom na badanie czarnych dziur mniejszych niż M87, potwora o masie 6,5 miliarda Słońc, znajdujących się w galaktykach bardziej odległych niż M87, która, oddalona o 55 mln lat świetlnych, jest wciąż stosunkowo blisko naszej Drogi Mlecznej.

Technika ta ma tylko dwa wymagania. Po pierwsze, potrzebna jest para supermasywnych czarnych dziur w trakcie łączenia się. Po drugie, trzeba patrzeć na tę parę pod kątem zbliżonym do bocznego. Z tego bocznego punktu widzenia, gdy jedna czarna dziura przechodzi przed drugą, powinniśmy być w stanie dostrzec jasny błysk światła, ponieważ świecący pierścień czarnej dziury znajdującej się dalej jest powiększany przez czarną dziurę znajdującą się najbliżej, co jest zjawiskiem znanym jako soczewkowanie grawitacyjne.

Efekt soczewkowania jest dobrze znany, ale naukowcy znaleźli tu ukryty sygnał: charakterystyczne obniżenie jasności odpowiadające „cieniowi” czarnej dziury znajdującej się z tyłu. To subtelne przyćmienie może trwać od kilku godzin do kilku dni, w zależności od tego, jak masywne są czarne dziury i jak blisko siebie leżą ich orbity. Naukowcy twierdzą, że jeżeli zmierzy się czas trwania tego przyćmienia, można oszacować rozmiar i kształt cienia rzucanego przez horyzont zdarzeń czarnej dziury.

Wykonanie obrazu czarnych dziur w M87 w wysokiej rozdzielczości zajęło lata i wymagało ogromnego wysiłku dziesiątków naukowców – powiedział pierwszy autor pracy, Jordy Davelaar, doktorant na Uniwersytecie Columbia i w Centrum Astrofizyki Obliczeniowej Instytutu Flatiron. Takie podejście sprawdza się tylko w przypadku największych i najbliższych czarnych dziur – pary w sercu M87 i potencjalnie w naszej Drodze Mlecznej.

Dodał, że w naszej technice mierzy się jasność czarnych dziur w czasie, nie ma potrzeby przestrzennego rozdzielania każdego obiektu. Powinno być możliwe znalezienie tego sygnału w wielu galaktykach.

Cień czarnej dziury jest zarówno jej najbardziej tajemniczą, jak i pouczającą cechą. Ciemna plama mówi nam o rozmiarach czarnej dziury, kształcie czasoprzestrzeni wokół niej oraz o tym, jak materia wpada do czarnej dziury w pobliżu jej horyzontu – powiedział współautor pracy, Zoltan Haiman, profesor fizyki na Uniwersytecie Columbia.

Cienie czarnych dziur mogą również skrywać tajemnicę prawdziwej natury grawitacji, jednej z fundamentalnych sił naszego Wszechświata. Teoria grawitacji Einsteina, znana jako ogólna teoria względności, przewiduje rozmiary czarnych dziur. Dlatego fizycy poszukują ich w celu przetestowania alternatywnych teorii grawitacji, starając się pogodzić dwie konkurujące ze sobą koncepcje działania przyrody: ogólną teorię względności Einsteina, która wyjaśnia zjawiska zachodzące w dużej skali, takie jak krążące planety i rozszerzający się Wszechświat, oraz fizykę kwantową, która wyjaśnia, w jaki sposób maleńkie cząstki, takie jak elektrony i fotony, mogą znajdować się w wielu stanach jednocześnie.

Naukowcy zainteresowali się rozbłyskującymi supermasywnymi czarnymi dziurami po tym, jak zauważyli podejrzaną parę supermasywnych czarnych dziur w centrum odległej galaktyki we wczesnym Wszechświecie. Kosmiczny Teleskop Keplera, polujący na planety, szukał niewielkich spadków jasności odpowiadających przejściu planety przed swoją gwiazdą macierzystą. Zamiast tego, Kepler wykrył rozbłyski tego, co Haiman i jego koledzy twierdzą, że jest parą łączących się czarnych dziur.

Nazwali oni odległą galaktykę „Spikey”, ze względu na skoki jasności wywołane przez jej domniemane czarne dziury, które powiększają się wzajemnie podczas każdego pełnego obrotu dzięki efektowi soczewkowania. Aby dowiedzieć się więcej na temat rozbłysków, Haiman wraz ze swoim doktorantem Davelaarem zbudował model.

Byli jednak zdezorientowani, gdy symulowana przez nich para czarnych dziur powodowała nieoczekiwany, ale okresowy spadek jasności za każdym razem, gdy jedna orbitowała przed drugą. Początkowo sądzili, że jest to błąd w kodowaniu. Jednak dalsze sprawdzanie doprowadziło do tego, że zaufali sygnałowi.

Szukając fizycznego mechanizmu, który mógłby to wyjaśnić, zdali sobie sprawę, że każdy spadek jasności odpowiada czasowi, w którym czarna dziura znajdująca się najbliżej widza przechodzi przed cieniem czarnej dziury znajdującej się z tyłu.

Naukowcy poszukują obecnie danych z innych teleskopów, aby spróbować potwierdzić spadek, który widzieli w danych z Keplera i zweryfikować, czy Spikey rzeczywiście kryje w sobie parę łączących się czarnych dziur. Jeżeli wszystko się potwierdzi, technika ta może być zastosowana do kilku innych podejrzanych par łączących się czarnych dziur spośród około 150, które zostały do tej pory zauważone i czekają na potwierdzenie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Dziwne fale radiowe wyłaniają się z kierunku centrum Galaktyki

Astronomowie potwierdzają istnienie kosmicznej super-pustki, która podważa nasze rozumienie ciemnej energii

Strumień Magellana nad Drogą Mleczną może być pięć razy bliżej niż wcześniej sądzono