Вокруг черных дыр бесконечные кольца света. Вот как мы смогли их увидеть

Долгая, кропотливая работа ученых по всему миру позволила получить первое прямое изображение горизонта событий черной дыры, сверхмассивного монстра под названием M87*.

Этот снимок подтвердил многие наши представления о черных дырах.

Но наука не остановилась, когда появилась фотография. Ученые выполнили расчеты на основе того, что узнали об M87* в сочетании с общей теории относительности, чтобы дополнительно предсказать, как однажды мы увидим эти объекты в деталях.

Черные дыры невероятно гравитационно интенсивны. Они не только настолько массивны, что даже скорость света слишком мала, чтобы избежать гравитационного притяжения, они также изгибают путь прохождения света вокруг них, за горизонтом событий.

Если проходящий фотон слишком приблизится, он окажется на орбите вокруг черной дыры. Это создает то, что называется «фотонным кольцом» или «фотонной сферой», совершенным кольцом света, которое, как предсказывают, будет окружать черную дыру по внутреннему краю аккреционного диска, но вне горизонта событий.

Это также известно как самая стабильная внутренняя орбита, и вы можете видеть это на изображении ниже, созданном астрофизиком Жаном-Пьером Люмине в 1978 году.

Модели окружения черной дыры предполагают, что фотонное кольцо должно создавать сложную субструктуру, состоящую из бесконечных световых колец — немного похоже на эффект, который вы видите в бесконечном зеркале.

«Изображение черной дыры на самом деле содержит вложенные серии колец», — объяснил астрофизик Майкл Джонсон из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

«Каждое последующее кольцо имеет примерно одинаковый диаметр, но становится все более «острым», потому что его свет вращается вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем достигает наблюдателя».

На этой исторической первой фотографии M87* (выше) мы видим аккреционный диск — это светящаяся оранжево-золотая часть. Черная часть в центре — тень черной дыры. На самом деле мы не можем видеть фотонную сферу, поскольку разрешение недостаточно высокое, чтобы разобрать его, но оно должно располагаться по краю тени черной дыры.

Если бы мы могли его увидеть, то это кольцо расскажет нам очень важные вещи о черной дыре. Размер кольца может сказать нам массу, размер и скорость вращения черной дыры. Мы можем определить их по аккреционному диску, но кольцо фотонов позволило бы нам дополнительно ограничить данные для более точного измерения.

«Каждое кольцо состоит из фотонов, линзированных на экран наблюдателя после того, как они были собраны фотонной оболочкой из любой точки Вселенной», — пишут исследователи в своей статье.

«Следовательно, в идеализированной обстановке без поглощения каждое кольцо содержит отдельное экспоненциально искаженное изображение всей Вселенной, причем каждое последующее кольцо захватывает видимую Вселенную. Вместе их набор похож на кадры фильма, в которых запечатлена история видимой Вселенной, если смотреть из черной дыры».

Итак, Джонсон и его команда использовали моделирование для определения возможности обнаружения фотонных колец в будущих наблюдениях. Они обнаружили, что это можно сделать, хотя это будет нелегко.

Снимок M87* был подвигом изобретательности и сотрудничества. Телескопы по всему миру работали вместе для создания очень длинного базового интерферометра, называемого телескопом горизонта событий, где точные расстояния и временные различия между телескопами в массиве можно рассчитать, чтобы склеить их наблюдения. Это — в очень, очень простых терминах — похоже на наличие одного телескопа размером с Землю.

«Что нас по-настоящему удивило, так это то, что вложенные кольца почти незаметны невооруженным глазом на изображениях — даже на идеальных изображениях – однако они являются сильными и четкими сигналами для массивов телескопов, называемых интерферометрами», — сказал Джонсон.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.

Источники: Фото: Фотоны вращающиеся вокруг черной дыры. (Николь Р. Фуллер / NSF)