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

Астрономы разработали набор уравнений, которые могут точно описать отражения Вселенной, которые появляются в искривленном свете вокруг черной дыры.

Близость каждого отражения зависит от угла наблюдения относительно о черной дыре и скорости ее вращения согласно математическому решению, разработанному студентом-физиком Альбертом Снеппеном из Института Нильса Бора в Дании в июле 2021 года.

Это было действительно круто, абсолютно , но это было не просто здорово. Это также потенциально дало нам новый инструмент для исследования гравитационной среды вокруг этих экстремальных объектов.

«Есть что-то фантастически прекрасное в том, чтобы понять, почему изображения повторяются таким элегантным образом», — сказал Снеппен в своем докладе. Заявление 2021 года.

«Кроме того, оно предоставляет новые возможности проверить наше понимание гравитации и черных дыр».

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

Эта точка невозврата — это горизонт событий, определяемый тем, что называется радиус Шваршильда – и это причина, по которой мы говорим, что даже свет не может вырваться из-под гравитации черной дыры.

Однако за пределами горизонта событий черной дыры окружающая среда также серьезно ненормальна. Гравитационное поле настолько мощное, 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 и изогнутым.

На самом внутреннем краю этого пространства, сразу за горизонтом событий, мы можем видеть то, что называется фотоном. кольцо, где фотоны путешествуют по орбите вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем либо упасть в сторону черной дыры, либо улететь в космос.

Это означает, что свет от удаленных объектов за черной дырой может быть увеличен, искажен, и «отражался» несколько раз. Мы называем это гравитационной линзой; эффект также можно увидеть в других контекстах, и он является полезным инструментом для изучения Вселенной.

Итак, мы знали об этом эффекте уже некоторое время, и ученые выяснили, что чем ближе вы смотрите на черная дыра, тем больше отражений вы видите от удаленных объектов.

Чтобы перейти от одного изображения к другому, вам нужно было посмотреть примерно в 500 раз ближе к оптическому краю черной дыры, или экспоненциальной функции двух пи (e^2π), но почему это так, было трудно описать математически.

Подход Снеппена заключался в том, чтобы переформулировать траекторию света и количественно оценить ее. линейная устойчивость с использованием дифференциальных уравнений второго порядка. Он обнаружил, что его решение не только математически описывает, почему изображения повторяются на расстояниях e^2π, но и что оно может работать для вращающейся черной дыры – и это расстояние повторения зависит от о вращении.

«Оказывается, когда она вращается очень быстро, вам больше не нужно приближаться к черной дыре не в 500 раз, а значительно меньше», — сказал Снеппен. «На самом деле, каждое изображение теперь всего в 50, или в пяти, или даже в два раза ближе к краю черной дыры».

На практике это будет трудно наблюдать, по крайней мере, в ближайшее время – просто взгляните на интенсивный объем работы, затраченный на неразрешенное изображение кольца света вокруг сверхмассивной черной дыры Повехи (M87*).

Теоретически, однако, их должно быть бесконечное количество. кольца света вокруг черной дыры. Поскольку мы однажды сфотографировали тень сверхмассивной черной дыры, надеемся, что получение более качественных изображений — лишь вопрос времени, и уже есть планы по изображению фотонного кольца.

Однажды , бесконечные изображения вблизи черной дыры могут стать инструментом для изучения не только физики пространства-времени черной дыры, но и объектов, стоящих за ними, — повторяющихся в бесконечных отражениях на вечной орбите.

Исследование опубликована в Scientific Reports.

Более ранняя версия статьи была впервые опубликована в июле 2021 года.