Çarpışma sürecindeki iki süper kütleli kara deliğin ölçeklenmiş ‘gölgeleri’

Süper kütleli kara delikleri birleştirme sürecinde, vakumu ölçmenin yeni bir yolu

Bilim adamları, çarpışma sürecinde iki süper kütleli kara deliğin ‘gölgelerini’ ölçmenin bir yolunu keşfettiler, bu da gökbilimcilere uzak galaksilerdeki kara delikleri ölçmek ve alternatif yerçekimi teorilerini test etmek için potansiyel yeni bir araç sağladı.

Üç yıl önce, dünya bir kara deliğin ilk görüntüsü karşısında hayrete düştü. Ateşli bir ışık halkasıyla çevrelenmiş, hiç yoktan var olan bir kara delik. O ikonik görüntü[{” attribute=””>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

Bir çift süper kütleli kompakt karadelikte yerçekimi lenslerinin simülasyonu. Kredi bilgileri: Jordi Devalar

Bu tekniğin sadece iki şartı vardır. İlk olarak, birleşmenin ortasında bir çift süper kütleli karadeliğe ihtiyacınız var. İkincisi, çifte kabaca bir yan açıyla bakmalısınız. Bu yandan görünümden, bir kara delik diğerinin önünden geçtiğinde, kara deliğin parlayan halkası size en yakın karadelik tarafından büyütüldüğünden parlak bir ışık parlaması görebilmelisiniz. yerçekimi merceklenmesi.

Merceğin etkisi iyi biliniyor, ancak araştırmacıların burada keşfettiği şey, ince bir sinyaldi: arka plandaki kara deliğin “gölgesine” karşılık gelen parlaklıkta karakteristik bir düşüş. Bu ince karartma, kara deliklerin boyutuna ve yörüngelerinin ne kadar karışık olduğuna bağlı olarak birkaç saatten birkaç güne kadar sürebilir. Araştırmacılar, düşüşün ne kadar sürdüğünü ölçerseniz, bir kara deliğin olay ufkunun yarattığı gölgenin boyutunu ve şeklini tahmin edebileceğinizi söylüyor, çıkışın olmadığı, hiçbir şeyin, hatta ışığın bile kaçmadığı bir nokta.

Bir çift süper kütleli birleştirilmiş kara deliğin bu simülasyonunda, izleyiciye en yakın olan karadelik daha da yakınlaşır ve böylece mavi görünür (Kutu 1), arkadaki kırmızıya kayan kara deliği kütleçekimsel bir mercekleme yoluyla şişirir. En yakındaki kara delik, kara deliğin ışığını daha uzağa yükselttiğinde (Kutu 2), izleyici parlak bir ışık parlaması görür. Ancak en yakın kara delik bir uçurumun veya en uzak kara deliğin gölgesinin önünden geçtiğinde, izleyici parlaklıkta hafif bir düşüş görür (Kutu 3). Parlaklıktaki (3) bu azalma, görüntülerin altındaki ışık eğrisi verilerinde açıkça görülmektedir. Kredi bilgileri: Jordi Devalar

Columbia ve Flatiron Hesaplamalı Astrofizik Merkezi’nde doktora sonrası araştırmacı olan çalışmanın ilk yazarı Jordi Davilar, “M87 karadeliklerinin bu yüksek çözünürlüklü görüntüsünü oluşturmak için düzinelerce bilim insanı tarafından yıllar ve muazzam çaba harcandı” dedi. “Bu yaklaşım yalnızca en büyük ve en yakın kara deliklerle çalışır – M87’nin merkezindeki çift ve muhtemelen Samanyolumuz.”

“Bizim yöntemimizle kara deliklerin zaman içindeki parlaklığını ölçüyorsunuz ve her bir nesneyi mekansal olarak çözmeniz gerekmiyor. Bu sinyali birçok galakside bulmak mümkün olmalı.”

Kara deliğin gölgesi onun en gizemli ve öğretici özelliğidir. Columbia Üniversitesi’nde fizik profesörü olan ortak yazar Zoltan Haiman, “Bu karanlık nokta bize kara deliğin boyutunu, etrafındaki uzay-zamanın şeklini ve maddenin ufkuna yakın kara deliğe nasıl düştüğünü anlatıyor” dedi.

Yandan süper kütleli bir karadelik birleşmesi gözlemlendiğinde, izleyiciye en yakın olan karadelik, bir kütleçekimsel merceğin etkisiyle kara deliği daha da uzaklaştırır. Araştırmacılar, uzaktaki kara deliğin “gölgesine” karşılık gelen parlaklıkta kısa bir düşüş tespit etti ve izleyicinin kara deliğin boyutunu ölçmesine izin verdi. Kredi bilgileri: Nicoletta Barolwini

Bir kara deliğin gölgeleri, evrenimizin temel kuvvetlerinden biri olan yerçekiminin gerçek doğasının sırrını gizleyebilir. Einstein’ın genel görelilik olarak bilinen yerçekimi teorisi, kara deliklerin boyutunu tahmin ediyor. Bu nedenle, fizikçiler, doğanın nasıl çalıştığına dair iki rakip fikri uzlaştırmak amacıyla alternatif yerçekimi teorilerini test etmek için onları aradılar: Einstein’ın gezegen dönüşü ve genişleyen bir evren gibi büyük ölçekli fenomenleri açıklayan genel göreliliği ve kuantum fiziği. Elektronlar ve fotonlar gibi küçük parçacıkların aynı anda birden çok durumu nasıl işgal ettiğini açıklar.

Araştırmacılar, bir sonraki süper kütleli kara delikleri tutuşturmakla ilgilenmeye başladı ustabaşı Erken evrende uzak bir galaksinin merkezinde bulunan şüpheli bir çift süper kütleli kara delik.[{” attribute=””>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010