RW Space

Мы обычно рассматриваем фотографию как запись одного момента времени.

Будь то снимок, сохраняющий самые счастливые воспоминания, или длительная выдержка, отслеживающая медленное движение звезд по ночному небу, фотография обычно имеет прямую связь со временем.

Однако вокруг черных дыр эта связь разваливается.

Там, благодаря сильному искажению пространства-времени, одно изображение может сочетать свет, который покинул свой источник в разные моменты, прежде чем окончательно достичь наблюдатель, осложнение, которое физики обычно описывают, используя модели «быстрого» и «медленного» света.

Теперь физики Даниэль Рохас-Патернина из Национального университета Колумбии и Алехандро Карденас-Авенданьо из Университета Уэйк Форест показали в статье, принятой к предстоящей публикации в Physical Review D, когда скрытые различия во времени прохождения света имеют значение – и когда их можно безопасно игнорировать.

«Полезная отправная точка — это обычное явление фотография», — рассказал Карденас-Авенданьо журналу ScienceAlert.

«Камера записывает фотоны, которые достигают детектора во время короткой экспозиции. Эти фотоны не все покидают объект одновременно… Но поскольку скорость света настолько велика, мы обычно рассматриваем фотографию как запись одного мгновения».

На сегодняшний день ученым удалось сфотографировать две сверхмассивные черные дыры: M87* в далекой галактике и Sgr A* в центре Млечного Пути – но, конечно, на изображениях не видны сами черные дыры.

На этих изображениях изображена темная тень, окруженная Этот светящийся оранжевый ореол исходит из водоворота перегретого газа, кружащегося вокруг черной дыры в аккреционном диске, и сияет достаточно ярко, чтобы его можно было увидеть на расстоянии десятков миллионов световых лет.

Объединяя наблюдения со сложным моделированием, ученые могут строить модели того, как этот материал изменяется с течением времени, что позволяет им сравнивать наблюдения с теорией и даже создавать моделируемые фильмы материи и света, обтекающих черную дыру.

Скорость свет в вакууме является одной из фундаментальных констант Вселенной, и новая статья не изменила этого. Скорее, обозначения «быстрый» и «медленный» свет используются для моделирования того, как свет распространяется вокруг черной дыры.

«Гравитация черной дыры может очень сильно искривлять свет», — сказал Карденас-Авенданьо.

«Некоторые фотоны могут идти к нам почти прямыми путями, в то время как другие могут обходить черную дыру, прежде чем достичь детектора. Это означает, что фотоны, попавшие в один и тот же кадр изображения, могли покинуть излучающий газ в разное время.»

Модель быстрого света рассматривает наблюдения черной дыры так же, как и фотографию вашей собаки, игнорируя крошечные различия в том, когда эти фотоны начали свое путешествие. Свет из ее морды, возможно, испустился немного позже, чем свет из ее хвоста, но вы принимаете его как одно мгновение.

Модель медленного света, с другой стороны, сохраняет эти задержки без изменений.

Но это Информация о временной задержке, сохраняемая в модели медленного света, требует дополнительных затрат в вычислительном отношении, поэтому физики могут иногда выбирать модель быстрого света из-за простоты и скорости.

«При быстром свете делается один снимок потока аккреции и визуализируется его. Затем мы переходим к следующему снимку и повторяем процесс», — объяснил Карденас-Авенданьо.

«При медленном освещении даже для одного кадра изображения может потребоваться множество снимков аккреционного потока, поскольку разные пиксели соответствуют разному времени излучения».

Предыдущие исследования показали, что приближение быстрого света было достаточно точным для многих наблюдений.

Представьте себе, что светящийся аккреционный диск на самом деле не сильно меняется от момента к моменту. на самом деле не имело бы значения, если бы один фотон ушел немного позже другого – по сути, вы все еще смотрите на одну и ту же сцену.

Теперь представьте, что турбулентный газ сильно мерцает, с узлами и вихрями, мчащимися вокруг потока. В одном кадре вы можете видеть фотоны до и после вспышки; внезапно эта разница во времени имеет большое значение.

Проблема сводится к соревнованию между двумя часами – как быстро меняется светящийся газ и как. Время путешествия фотонов сильно различается.

Чтобы преодолеть разрыв между быстрым и медленным светом, исследователи предложили золотую середину — то, что они называют ярким светом, который не является ни полностью быстрым, ни полностью медленным.

«Быстрый свет сводит все изображение к одному источнику времени. Медленный свет сохраняет полную карту временной задержки по всему изображению. Яркий свет — это промежуточный вариант», — сказал Карденас-Авенданьо.

«Он сохраняет доминирующую структуру временной задержки, одновременно снижая вычислительные затраты по сравнению с полностью медленным светом. В некоторых случаях он приближается к результату медленного света, не требуя при этом полных затрат».

Хорошей новостью является то, что нам не нужно возвращаться к чертежной доске для тех знаковых изображений M87* и Sgr A*. Эти черные дыры были рассмотрены под углами, где приближение быстрого света все еще работает для изображений, полученных телескопом «Горизонт событий».

Настоящую выгоду может принести следующее поколение обсерваторий черных дыр, которые стремятся работать в режимах, где быстрый свет время может дать изображение, которое может выглядеть правильно, но по-прежнему иметь неправильную информацию о времени.

Обсерватории следующего поколения, такие как Black Hole Explorer, надеются исследовать более тонкие особенности, такие как фотонные кольца, где относительное время прибытия фотонов становится частью сигнала.

В сигнале фотонного кольца преобладает не текущий аккреционный материал, а геометрия пространства-времени вокруг черной дыры. кольцо сформировано фотонами, которые проходят разные пути вокруг черной дыры, поэтому сохранение этих скрытых временных задержек становится гораздо более важным.

Связанный: Ученые, возможно, обнаружили первые признаки горизонта событий черной дыры

«Мы бы не увидели поток аккреции в один момент. В каждом кадре будет сочетаться свет, излучаемый в несколько разных моментов времени», — сказал Карденас-Авенданьо.

«В этом ограниченном, но точном смысле фильм о черной дыре более странен, чем обычный фильм».

В настоящее время сотрудничество с телескопом Event Horizon работает над созданием фильма о M87*. Мы далеки от четких и подробных наблюдений процессов вокруг черной дыры, но мы ближе, чем когда-либо, к тому, чтобы увидеть ее в действие.

Когда наступит этот день, каждый кадр будет намного больше, чем кажется — машина времени, раскрывающая множество моментов из недавней истории одного из самых странных пространственно-временных режимов во Вселенной.

Статья принята к публикации в следующем выпуске Physical Review D. А пока вы можете прочитать препринтную версию на arXiv.

Эта статья была проверена Ребеккой Дайер и отредактирована Майклом Ирвингом. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, сообщите нам об этом.