Астрофизики используют эхо света для освещения черных дыр

Из-за гравитационного линзирования фотоны от одной вспышки света вблизи черной дыры следуют по извилистым траекториям. Некоторые следуют по траектории синей линии, где они выбирают прямой путь к наблюдателю. Другие совершают один оборот вокруг черной дыры, следуя пути красной пунктирной линии. Другие по-прежнему совершают два оборота вокруг черной дыры, следуя зеленой пунктирной линии. Поскольку все разные пути имеют разные временные задержки, фотоны прибывают один за другим последовательно, и исходная вспышка света будет казаться эхом. Автор: George N. Wong

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

Гравитационное линзирование происходит, когда свет проходит вблизи черной дыры, и его путь искривляется сильным гравитационным полем черной дыры. Эффект позволяет свету проходить множество путей от источника до наблюдателя на Земле: некоторые световые лучи могут следовать по прямому маршруту, в то время как другие могут огибать черную дыру один или несколько раз, прежде чем достичь нас. Это означает, что свет из одного и того же источника может приходить в разное время, что приводит к «эху».

«То, что свет кружится вокруг черных дыр, вызывая эхо, было теоретически обосновано в течение многих лет, но такие эхо еще не были измерены», — говорит ведущий автор исследования Джордж Н. Вонг, Фрэнк и Пегги Тэплин, член Школы естественных наук Института и научный сотрудник Принстонской гравитационной инициативы в Принстонском университете. «Наш метод предлагает схему для проведения этих измерений, которые потенциально могут произвести революцию в нашем понимании физики черных дыр».

Эта техника позволяет изолировать слабые эхо-сигнатуры от более сильного прямого света, улавливаемого известными интерферометрическими телескопами, такими как Event Horizon Telescope. И Вонг, и одна из его соавторов, Лия Медейрос, приглашенная в Институтскую школу естественных наук и стипендиат NASA Einstein в Принстонском университете, активно работали в рамках сотрудничества Event Horizon Telescope.

Чтобы проверить свою методику, Вонг и Медейрос, работая вместе с Джеймсом Стоуном, профессором Школы естественных наук, и Алехандро Карденасом-Авенданьо, научным сотрудником Фейнмана в Лос-Аламосской национальной лаборатории и бывшим научным сотрудником Принстонского университета, провели моделирование с высоким разрешением, в ходе которого были сделаны десятки тысяч «снимков» света, движущегося вокруг сверхмассивной черной дыры, похожей на ту, что находится в центре галактики M87 (M87*), которая находится примерно в 55 миллионах световых лет от Земли.

Местоположение наблюдаемого излучения относительно временной задержки между n = 0 и n = 1 геодезическими, соединяющими это местоположение с наблюдателем. Автор: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad8650

Используя эти симуляции, команда продемонстрировала, что их метод может напрямую выводить период задержки эха в смоделированных данных. Они полагают, что их метод будет применим к другим черным дырам, помимо M87*.

«Этот метод не только позволит подтвердить, что свет, вращающийся вокруг черной дыры, был измерен, но и предоставит новый инструмент для измерения фундаментальных свойств черной дыры», — объясняет Медейрос.

Понимание этих свойств важно. «Черные дыры играют важную роль в формировании эволюции Вселенной», — говорит Вонг. «Хотя мы часто фокусируемся на том, как черные дыры притягивают вещи, они также выбрасывают большие объемы энергии в свое окружение.

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

Измерение массы или спина черной дыры — сложная задача. Природа аккреционного диска, а именно вращающаяся структура горячего газа и другой материи, спиралевидно движущейся к черной дыре, может «сбить с толку» измерение, отмечает Вонг. Однако световые эхо обеспечивают независимое измерение массы и спина, а наличие множественных измерений позволяет нам получить оценку для тех параметров, «в которые мы действительно можем верить», утверждает Медейрос.

Обнаружение световых эхо 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».

Результаты команды показывают, что возможно обнаружить эхо с помощью пары телескопов — одного на Земле и одного в космосе — работающих вместе для выполнения того, что можно описать как «интерферометрия с очень длинной базой». Такая интерферометрическая миссия должна быть «скромной», утверждает Вонг. Их метод обеспечивает послушный, практичный метод сбора важной и надежной информации о черных дырах.

Больше информации: George N. Wong et al, Measuring Black Hole Light Echoes with Very Long Baseline Interferometry, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad8650

Источник: Institute for Advanced Study