Fuzionarea găurilor negre supermasive ne oferă o nouă modalitate de a măsura universul

Studiul găurilor negre a parcurs un drum lung în ultimii ani. În 2015, primele unde gravitaționale au fost observate de oamenii de știință de la Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru cu laser (LIGO). Această descoperire a confirmat ceea ce Einstein a prezis cu un secol în urmă cu relativitatea generală și a oferit o nouă perspectivă asupra fuziunilor găurilor negre. În 2019, oamenii de știință de la colaborarea Event Horizon Telescope (EHT) au distribuit prima imagine a unei găuri negre supermasive (SMBH), care se află în centrul galaxiei M87.

La începutul acestei luni, EHT a anunțat că a achiziționat și prima imagine a Săgetător A*, gaura neagră din centrul Căii Lactee. Și tocmai la timp pentru Săptămâna găurii negre (2 maiN / A până pe 6 maiși), o pereche de cercetători de la Universitatea Columbia au anunțat o nouă modalitate potențial mai ușoară de a studia găurile negre. În special, metoda lor ar putea permite studiul găurilor negre mai mici decât M87* în galaxii mai îndepărtate decât galaxia M87.

Această nouă metodă de imagistică a fost dezvoltată de Zoltán Haiman (profesor de astronomie la Universitatea Columbia) și Jordy Davelaar, astrofizician teoretic la Columbia, la Institutul Flatiron din New York și membru al colaborării EHT. Metoda lor a fost descrisă în studii complementare publicate recent în Scrisori de examinare fizică și Examenul fizic D. După cum indică ei în aceste articole, tehnica lor combină două tehnici – interferometria și lentila gravitațională.

Ștergeți astăzi toate anunțurile despre univers

Alăturați-vă Patreon-ului nostru pentru doar 3 USD!

Obțineți experiența fără reclame pe viață

Prima tehnică presupune utilizarea mai multor instrumente pentru a capta lumina din surse îndepărtate și apoi combinarea acesteia pentru a crea o imagine compozită. Această tehnică a permis colaborării EHT să capteze imagini ale inelelor strălucitoare din jurul lui M87* și Săgetător A* (printre alte obiecte). În acest din urmă caz, forța gravitațională a unui obiect masiv (cum ar fi o gaură neagră sau o galaxie) este folosită pentru a mări și a spori lumina unui obiect mai îndepărtat.

După cum explică Haiman și Davelaar, prin vizualizarea unui sistem de găuri negre binare pe margine, pe măsură ce una trece în fața celeilalte (alias tranzite), astronomii vor putea folosi atracția gravitațională a celui mai apropiat BH pentru a mări discul luminos. cel mai îndepărtat. Cu toate acestea, aceste observații vor dezvălui și o altă caracteristică interesantă. Pe măsură ce două BH trec unul în fața celuilalt, au spus Haiman și Davelaar, va exista o scădere distinctă a luminozității corespunzătoare „umbrei” celei mai îndepărtate găuri negre.

În funcție de masa găurilor negre și de apropierea orbitelor acestora, aceste scufundări pot dura de la câteva ore până la câteva zile. Lungimea adâncirii poate fi folosită și pentru a estima dimensiunea și forma umbrei aruncate de orizontul evenimentului BH, punctul în care nimic nu poate scăpa de atracția gravitațională (nici măcar lumina). După cum a explicat Davelaar într-un comunicat recent de știri Columbia:

„A fost nevoie de ani și efort considerabil din partea zecilor de oameni de știință pentru a crea această imagine de înaltă rezoluție a găurilor negre ale lui M87. Această abordare funcționează numai pentru cele mai mari și mai apropiate găuri negre – perechea din nucleul M87 și, potențial, propria noastră Cale Lactee. [W]Cu tehnica noastră, măsori luminozitatea găurilor negre în timp, nu trebuie să rezolvi spațial fiecare obiect. Ar trebui să fie posibil să găsim acest semnal în multe galaxii.

În lentilele gravitaționale, gravitația unui obiect mare este folosită pentru a îndoi, a lumina și a distorsiona lumina de la alte obiecte din spatele lui. Credit: NASA/ESA/L. Calcada

După cum a adăugat Haiman, umbra unei găuri negre este caracteristica sa cea mai misterioasă și mai informativă. „Această pată întunecată ne spune despre dimensiunea găurii negre, despre forma spațiu-timpului din jurul ei și despre modul în care materia cade în gaura neagră de lângă orizont”, a spus el. Haiman și Davelaar au devenit interesați de acest fenomen după ce Haiman și o echipă de colegi au detectat o pereche suspectată de găuri negre supermasive (“Spikey”) în 2020 în centrul unei galaxii care a existat la începutul Universului.

Descoperirea a venit în timp ce echipa examina datele de la Telescopul spațial Kepler pentru a monitoriza stelele îndepărtate pentru mici scăderi de luminozitate, care sunt folosite pentru a confirma prezența exoplanetelor în tranzit (alias metoda de tranzit). În schimb, cel Kepler datele au arătat indicii că efectul de erupție a fost cauzat de o pereche de găuri negre în tranzit care erau vizibile prin felie. Porecla s-a datorat vârfurilor de luminozitate declanșate de presupusul efect de lentilă al găurilor negre în timp ce treceau una în fața celeilalte.

Pentru a afla mai multe despre erupție, Haiman a cerut ajutorul postdoctorului său (Davelaar) pentru a construi un model pentru acest efect de erupție. Deși modelul a confirmat vârfurile, a dezvăluit și o scădere periodică a luminozității pe care nu au putut-o explica. După ce au exclus posibilitatea ca acesta să rezulte din erori în model, au stabilit că semnalul este real și au început să caute un mecanism fizic care să-l explice. În cele din urmă, ei și-au dat seama că fiecare jgheab corespunde îndeaproape cu timpul necesar BH-urilor pentru a face tranzite în raport cu observatorul.

Detectarea acestei umbre ar putea avea implicații imense pentru astrofizicieni și fizicienii cuantici. Astrofizicienii au căutat aceste umbre ca parte a unui efort continuu de a testa relativitatea generală în cele mai extreme condiții și medii. Aceste teste ar putea duce la o nouă înțelegere a modului în care forțele gravitaționale și cuantice interacționează, permițând fizicienilor să înțeleagă în sfârșit modul în care cele patru forțe fundamentale ale naturii lucrează împreună – electromagnetice, forțe nucleare slabe, forțe nucleare puternice și gravitație.

Ilustrația efectului de lentilă permite mărirea luminii provenite de la găurile negre în tranzit. 1 credit

De zeci de ani, oamenii de știință au înțeles cum funcționează trei dintre forțele care guvernează toate interacțiunile materie-energie. În timp ce relativitatea generală descrie modul în care gravitația (cea mai slabă dintre cele patru forțe) funcționează singură, toate eforturile de a găsi o modalitate de a o explica în termeni cuantici au eșuat. Drept urmare, o teorie a „gravitației cuantice” sau Teoria a tot (ToE), a scăpat chiar și de cele mai mari minți științifice. Printre acestea se numără Einstein și Stephen Hawking, care și-au dedicat cea mai mare parte a carierei științifice găsirii unuia.

Între timp, Haiman și Davelaar cercetează în prezent date suplimentare ale telescopului pentru a confirma Kepler observațiile și verificați că „Spikey” adăpostește într-adevăr o pereche de găuri negre îmbinate. Dacă și când tehnica lor este confirmată, aceasta va fi probabil aplicată celor aproximativ 150 de perechi SMBH care fuzionează care au fost observate, dar care încă așteaptă confirmarea. În următorii ani, telescoapele de generație următoare vor intra online, ceea ce va oferi mai multe oportunități de testare a acestei tehnici.

Exemplele includ Observatorul Vera C. Rubin, un telescop masiv din Chile, care urmează să fie deschis în cursul acestui an. Odată operațional, Rubin va efectua sondajul spațial și temporal (LSST) pe 10 ani, care va include observarea a peste 100 de milioane de SMBH. Până în 2030, antena spațială cu interferometrie laser a NASA, un detector de unde gravitaționale bazat în spațiu, va intra și el online și va permite și mai multe oportunități de a studia fuziunile găurilor negre. Cu atât de mulți candidați disponibili pentru studiu, oamenii de știință nu ar trebui să aștepte prea mult pentru o descoperire.

„Chiar dacă doar o mică parte din aceste găuri binare de găuri negre au condițiile potrivite pentru a măsura efectul propus, am putea găsi multe dintre aceste jgheaburi de găuri negre”, a spus Davelaar.

Lectură suplimentară: Știri din Columbia

Add Comment