Теперь у нас есть точная математика, чтобы описать, как черные дыры отражают Вселенную

Новая система уравнений может точно описать отражения Вселенной, которые появляются в искривленном свете вокруг черной дыры.

Близость каждого отражения зависит от угла наблюдения по отношению к черной дыре и скорости вращения черной дыры, согласно математическому решению, разработанному студентом-физиком Альбертом Снеппеном из Института Нильса Бора в Дании.

Открытие потенциально дает нам новый инструмент для исследования гравитационной среды вокруг экстремальных объектов.

«Есть что-то фантастически красивое в понимании того, почему изображения повторяются таким элегантным образом», — сказал Снеппен. «Вдобавок ко всему, это дает новые возможности проверить наше понимание гравитации и черных дыр».

Если есть что-то, чем славятся черные дыры, так это их чрезвычайная гравитация. В частности, что за пределами определенного радиуса самая быстрая достижимая скорость во Вселенной, скорость света в вакууме, недостаточна для достижения космической скорости.

Эта точка невозврата — горизонт событий, определяемый так называемым радиусом Шваршильда, и есть причина, по которой мы говорим, что даже свет не может выйти из-под гравитации черной дыры.

Однако, за пределами горизонта событий черной дыры, гравитационное поле настолько мощно, что кривизна пространства-времени почти круговая.

Любые фотоны, попадающие в это пространство, естественно, должны будут следовать этой кривизне. Это означает, что, с нашей точки зрения, путь света кажется искривленным.

На внутреннем краю этого пространства, сразу за горизонтом событий, мы можем видеть то, что называется фотонным кольцом, где фотоны несколько раз перемещаются по орбите вокруг черной дыры, прежде чем либо упадут в сторону черной дыры, либо уйдут в космос.

Это означает, что свет от далеких объектов за черной дырой может увеличиваться, искажаться и «отражаться» в несколько раз. Мы называем это гравитационной линзой; эффект также можно увидеть в других контекстах, и это полезный инструмент для изучения Вселенной.

Итак, мы знали об эффекте в течение некоторого времени, и ученые выяснили, что чем ближе вы смотрите на черную дыру, тем больше отражений вы видите от далеких объектов.

Чтобы перейти от одного изображения к другому, вам нужно было смотреть примерно в 500 раз ближе к оптическому краю черной дыры или экспоненциальной функции двух пи (e2π), но почему это так, было трудно математически описать.

Подход Снеппена заключался в переформулировке траектории света и количественной оценке ее линейной устойчивости с использованием дифференциальных уравнений второго порядка. Он обнаружил, что его решение не только математически описывает, почему изображения повторяются на расстояниях e2π, ​​но и что оно может работать для вращающейся черной дыры — и это расстояние повторения зависит от вращения.

«Оказывается, если она вращается очень быстро, больше не нужно приближаться к черной дыре в 500 раз, но значительно меньше», — сказал Снеппен. «Фактически, каждое изображение теперь всего на 50, или пять, или даже всего в два раза ближе к краю черной дыры».

На практике это будет трудно наблюдать, по крайней мере, в ближайшее время — просто посмотрите, сколько усилий было потрачено на получение изображения светового кольца вокруг сверхмассивной черной дыры M87*.

Однако теоретически вокруг черной дыры должно быть бесконечное количество световых колец. Поскольку мы однажды получили изображение тени сверхмассивной черной дыры, мы надеемся, что это только вопрос времени, когда мы сможем получить более качественные изображения, и уже есть планы по созданию изображений фотонного кольца.

Однажды бесконечные изображения рядом с черной дырой могут стать инструментом для изучения не только физики пространства-времени черной дыры, но и объектов позади них — повторяющихся в бесконечных отражениях на орбите.

Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Источники: Фото: (Nicolle R. Fuller/NSF)