У нас есть точная математика, которая может 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 к черной дыре и скорость вращения черной дыры, 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 действительно круто. Это также потенциально дало нам новый инструмент для исследования гравитационной среды вокруг этих экстремальных объектов.

«Есть что-то фантастически красивое в том, чтобы теперь понять, почему изображения повторяются таким элегантным образом», — сказал Снеппен в Заявление 2021 года. «Кроме того, это дает новые возможности проверить наше понимание гравитации и черных дыр».

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

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

Однако сразу за горизонтом событий черной дыры окружающая среда также серьезно ненормальна. Гравитационное поле настолько мощное, что искривление пространства-времени почти круговое.

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

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

Это означает, что свет от удаленных объектов за черной дырой может усиливаться, искажаться, и несколько раз «отразил». Мы называем это гравитационной линзой; эффект можно наблюдать и в других контекстах, и он является полезным инструментом для изучения Вселенной.

Итак, мы знали об эффекте в течение некоторого времени, и ученые выяснили, что чем ближе вы смотрите на черной дыры, тем больше отражений удаленных объектов вы видите.

Чтобы перейти от одного изображения к другому, вам нужно было приблизиться примерно в 500 раз к оптическому краю черной дыры, или экспоненциальная функция двух pi (e^2π), но почему это произошло, было трудно математически описать.

Подход Снеппена состоял в том, чтобы переформулировать траекторию света и количественно определить 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 на вращении.

«Оказывается, когда он вращается очень быстро, вам больше не нужно приближаться к черной дыре в 500 раз, а значительно меньше», — сказал Снеппен. «На самом деле каждое изображение теперь только 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 посмотрите, сколько работы ушло на неразрешенное изображение светового кольца вокруг сверхмассивной черной дыры Павехи (M87*).

Теоретически, однако, должно быть бесконечно кольца света вокруг черной дыры. Поскольку мы однажды сфотографировали тень сверхмассивной черной дыры, мы надеемся, что это только вопрос времени, когда мы сможем получить более качественные изображения, и уже есть планы на изображение фотонного кольца.

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

Исследование была опубликована в Scientific Reports.

Предыдущая версия статьи была впервые опубликована в июле 2021 года.