Astrofizycy opracowali metodę wykrywania ech świetlnych od czarnych dziur, potencjalnie rewolucjonizując pomiar ich mas i spinów.
Technika ta, zaprojektowana w celu odróżnienia słabych sygnałów echa od bardziej bezpośrednich obserwacji świetlnych, wykorzystuje zaawansowane symulacje i może również zapewnić wgląd w podstawy ogólnej teorii względności.
Innowacyjne badania czarnych dziur
Zespół astrofizyków, kierowany przez naukowców z Institute for Advanced Study, opracował nową technikę wykrywania ech świetlnych wokół czarnych dziur. Metoda ta oferuje innowacyjny sposób pomiaru masy i spinu czarnych dziur, co stanowi ogromny przełom, ponieważ działa niezależnie od wcześniejszych technik pomiarowych.
Opublikowano 7 listopada w The Listy do dzienników astrofizycznychw badaniu wprowadzono podejście, które mogłoby bezpośrednio wychwytywać fotony krążące wokół czarnych dziur poprzez efekt zwany „soczewkowaniem grawitacyjnym”.
Soczewkowanie grawitacyjne ma miejsce, gdy światło przechodzi blisko a czarna dziura i jest zaginany przez potężne pole grawitacyjne. To zakrzywienie powoduje, że światło przemieszcza się wieloma drogami z tego samego źródła do obserwatora na Ziemi. Podczas gdy niektóre promienie świetlne mogą podróżować bezpośrednio, inne mogą okrążyć czarną dziurę jeden lub więcej razy, zanim dotrą do nas. W rezultacie światło z tego samego źródła może docierać do obiektu w różnym czasie, tworząc zjawisko, które naukowcy określają mianem „echa”.
Techniki wykrywania echa
„Od lat snuto teorie, że światło krąży wokół czarnych dziur, powodując echa, ale takich ech nie udało się jeszcze zmierzyć” – mówi główny autor badania, George N. Wong, Frank i Peggy Taplin, członkowie Szkoły Nauk Przyrodniczych Instytutu i stypendystka naukowa w Princeton Gravity Initiative przy ul Uniwersytet Princeton. „Nasza metoda oferuje schemat wykonywania tych pomiarów, który może potencjalnie zrewolucjonizować nasze rozumienie fizyki czarnych dziur”.
Technika ta umożliwia odizolowanie słabych sygnatur echa od silniejszego, bezpośredniego światła rejestrowanego przez dobrze znane teleskopy interferometryczne, takie jak Teleskop Horyzontu Zdarzeń. Zarówno Wong, jak i jedna z jego współautorek, Lia Medeiros, wizytatorka Szkoły Nauk Przyrodniczych Instytutu i NASA Einstein Fellow na Uniwersytecie Princeton intensywnie pracowali w ramach współpracy w ramach teleskopu Event Horizon Telescope.
Aby przetestować swoją technikę, Wong i Medeiros, współpracując z Jamesem Stone’em, profesorem w Szkole Nauk Przyrodniczych i Alejandro Cárdenas-Avendaño, Feynman Fellow w Los Alamos National Laboratory i byłym Associate Research Scholar na Uniwersytecie Princeton, przeprowadzili symulacje w wysokiej rozdzielczości, które wykonał dziesiątki tysięcy „migawek” światła podróżującego wokół supermasywnej czarnej dziury podobnej do tej w centrum galaktyki M87 (M87*), która znajduje się około 55 milionów lat świetlnych od Ziemi. Korzystając z tych symulacji, zespół wykazał, że opracowana przez nich metoda może bezpośrednio wywnioskować okres opóźnienia echa w symulowanych danych. Wierzą, że ich technika będzie miała zastosowanie także do innych czarnych dziur, oprócz M87*.
Implikacje dla astronomii
„Ta metoda nie tylko pozwoli potwierdzić, kiedy zmierzono światło krążące wokół czarnej dziury, ale także zapewni nowe narzędzie do pomiaru podstawowych właściwości czarnej dziury” – wyjaśnia Medeiros.
Zrozumienie tych właściwości jest ważne. „Czarne dziury odgrywają znaczącą rolę w kształtowaniu ewolucji Wszechświata” – mówi Wong. „Mimo że często skupiamy się na tym, jak czarne dziury przyciągają rzeczy, wyrzucają one również duże ilości energii do swojego otoczenia. Odgrywają główną rolę w rozwoju galaktyk, wpływając na to, jak, kiedy i gdzie powstają gwiazdy, a także pomagając określić, w jaki sposób ewoluuje struktura samej galaktyki. Znajomość rozkładu mas i spinów czarnych dziur oraz tego, jak rozkład ten zmienia się w czasie, znacznie poszerza naszą wiedzę o wszechświecie”.
Pomiar masy lub spinu czarnej dziury jest trudny. Charakter dysku akrecyjnego, a mianowicie wirująca struktura gorącego gazu i innej materii spiralnie wędrującej do środka w kierunku czarnej dziury, może „zakłócić” pomiar, zauważa Wong. Jednakże echa świetlne zapewniają niezależny pomiar masy i spinu, a wielokrotne pomiary pozwalają nam oszacować te parametry, „w które naprawdę możemy wierzyć” – stwierdza Medeiros.
Potencjał rewolucyjnych odkryć
Wykrywanie ech świetlnych może również umożliwić naukowcom lepsze przetestowanie teorii grawitacji Alberta Einsteina. „Dzięki tej technice możemy znaleźć rzeczy, które sprawią, że pomyślimy: «Hej, to jest dziwne!»” – dodaje Medeiros. „Analiza takich danych może pomóc nam sprawdzić, czy czarne dziury rzeczywiście są zgodne z ogólną teorią względności”.
Wyniki zespołu sugerują, że możliwe będzie wykrycie echa za pomocą pary teleskopów – jednego na Ziemi i jednego w przestrzeni – współpracujących w celu przeprowadzenia czegoś, co można określić jako „interferometrię o bardzo długiej linii bazowej”. Taka misja interferometryczna musi być jedynie „skromna” – stwierdza Wong. Ich technika zapewnia wykonalną i praktyczną metodę gromadzenia ważnych i wiarygodnych informacji o czarnych dziurach.
Odniesienie: „Pomiar echa światła czarnej dziury za pomocą bardzo długiej interferometrii bazowej” autorstwa George’a N. Wonga, Lii Medeiros, Alejandro Cárdenas-Avendaño i Jamesa M. Stone’a, 7 listopada 2024 r., Listy z dziennika astrofizycznego.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad8650
