Три года назад первое в истории изображение черной дыры ошеломило мир. Черная яма небытия, окруженная огненным кольцом света. Знаменитое изображение черной дыры в центре галактики Мессье 87 оказалось в центре внимания благодаря телескопу Event Horizon, глобальной сети синхронизированных радиотарелок, действующих как один гигантский телескоп. Теперь пара исследователей из Колумбии разработала потенциально более простой способ заглянуть в бездну. Обрисованная в общих чертах в дополнительных исследованиях в Physical Review Letters и Physical Review D, их метод визуализации может позволить астрономам изучать черные дыры меньше, чем M87, чудовище с массой 6,5 миллиардов солнц, скрытое в галактиках более далеких, чем M87, которая в 55 миллионах световых лет, но все еще относительно близко к нашему Млечному Пути.
У техники всего два требования. Во-первых, вам нужна пара сверхмассивных черных дыр, находящихся в процессе слияния. Во-вторых, вам нужно смотреть на пару почти сбоку. С этой боковой точки зрения, когда одна черная дыра проходит перед другой, вы должны увидеть яркую вспышку света, когда светящееся кольцо черной дыры, находящейся дальше, увеличивается ближайшей к вам черной дырой, феномен известный как гравитационное линзирование. Эффект линзирования хорошо известен, но то, что исследователи обнаружили здесь, было скрытым сигналом: отчетливое падение яркости, соответствующее «тени» черной дыры сзади. Это тонкое затемнение может длиться от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от того, насколько массивны черные дыры и насколько тесно переплетены их орбиты. Исследователи говорят, что если вы измерите, как долго длится провал, вы сможете оценить размер и форму тени, отбрасываемой горизонтом событий черной дыры, точкой непроходимости, из которой ничего не ускользает, даже свет.
«Потребовались годы и огромные усилия со стороны десятков ученых, чтобы сделать это изображение с высоким разрешением черных дыр M87», — сказал первый автор исследования Джорди Давелаар, постдоктор Колумбийского и Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон. «Этот подход работает только для самых больших и ближайших черных дыр — пары в сердце M87 и, возможно, нашего собственного Млечного Пути». Он добавил: «С нашей техникой вы измеряете яркость черных дыр с течением времени, вам не нужно разрешать каждый объект в пространстве. Должна быть возможность найти этот сигнал во многих галактиках». Тень черной дыры — ее самая загадочная и информативная черта. «Это темное пятно говорит нам о размере черной дыры, форме пространства-времени вокруг нее и о том, как материя попадает в черную дыру вблизи ее горизонта», — сказал соавтор исследования Золтан Хайман, профессор физики из Колумбийского университета.
Тени черных дыр также могут содержать секрет истинной природы гравитации, одной из фундаментальных сил нашей Вселенной. Теория гравитации Эйнштейна, известная как общая теория относительности, предсказывает размер черных дыр. Поэтому физики искали их для проверки альтернативных теорий гравитации, пытаясь примирить две конкурирующие идеи о том, как работает природа: общую теорию относительности Эйнштейна, которая объясняет крупномасштабные явления, такие как вращающиеся вокруг планеты и расширяющаяся Вселенная, и квантовую физику, которая объясняет как крошечные частицы, такие как электроны и фотоны, могут занимать несколько состояний одновременно. Исследователи заинтересовались вспышками сверхмассивных черных дыр после обнаружения предполагаемой пары сверхмассивных черных дыр в центре далекой галактики в ранней Вселенной. Космический телескоп НАСА «Кеплер», занимающийся поиском планет, сканировал крошечные провалы в яркости, соответствующие планетам, проходящим перед своей родительской звездой. Вместо этого Кеплер обнаружил вспышки того, что Хайман и его коллеги называют парой сливающихся черных дыр.
Они назвали далекую галактику «Шипастой» из-за всплесков яркости, вызванных предполагаемыми черными дырами, увеличивающими друг друга при каждом полном обороте за счет эффекта линзы. Чтобы узнать больше о вспышке, Хайман вместе со своим постдоком Давелааром построил модель. Однако они были сбиты с толку, когда смоделированная ими пара черных дыр вызывала неожиданное, но периодическое падение яркости каждый раз, когда одна вращалась впереди другой. Сначала они подумали, что это ошибка кодирования. Но дальнейшая проверка заставила их поверить сигналу. Когда они искали физический механизм, объясняющий это, они поняли, что каждое падение яркости близко соответствует времени, которое требуется черной дыре, ближайшей к наблюдателю, чтобы пройти перед тенью черной дыры сзади.
В настоящее время исследователи ищут другие данные телескопа, чтобы попытаться подтвердить провал, который они видели в данных Кеплера, чтобы убедиться, что Spikey действительно содержит пару сливающихся черных дыр. Если все подтвердится, этот метод можно будет применить к горстке других подозреваемых пар слияния сверхмассивных черных дыр среди 150 или около того, которые были обнаружены до сих пор и ожидают подтверждения. По мере того, как в ближайшие годы появятся более мощные телескопы, могут появиться и другие возможности. Обсерватория Веры Рубин, открытие которой запланировано на этот год, нацелена на более чем 100 миллионов сверхмассивных черных дыр. Дальнейшая разведка черных дыр станет возможной, когда в 2030 году в космос будет запущен детектор гравитационных волн НАСА LISA. «Даже если только крошечная часть этих двойных черных дыр имеет подходящие условия для измерения предполагаемого нами эффекта, мы могли бы найти многие из этих провалов черных дыр», — сказал Давелаар.
