قياس “ظلال” اثنين من الثقوب السوداء الهائلة في عملية التصادم

طريقة جديدة لقياس الفراغ في زوج من الثقوب السوداء الهائلة

اكتشف العلماء طريقة لقياس “ظلال” اثنين من الثقوب السوداء الهائلة في عملية التصادم ، مما يوفر لعلماء الفلك أداة جديدة لقياس الثقوب السوداء في المجرات البعيدة واختبار النظريات البديلة لقوة الجاذبية.

قبل ثلاث سنوات ، اندهش العالم لرؤية الصورة الأولى لثقب أسود. ثقب أسود فارغ محاط بحلقة من الضوء الناري. تلك الصورة الأيقونية[{” attribute=””>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

https://www.youtube.com/watch؟v=gKbuhXRitMs
محاكاة عدسات الجاذبية في دمج زوج من الثقوب السوداء الهائلة. الائتمان: جوردي ديفالار

لا يوجد سوى متطلبين لهذه التقنية. أولاً ، أنت بحاجة إلى زوجين من الثقوب السوداء الهائلة في محاولة للاندماج. ثانيًا ، عليك النظر إلى الزوج من زاوية جانبية تقريبية. من هذا الجانب ، عندما يمر ثقب أسود أمام الآخر ، يمكنك رؤية ضوء ساطع حيث يتم تكبير الحلقة المتوهجة للثقب الأسود بواسطة الثقب الأسود الأقرب إليك ، وهي ظاهرة. وهذا ما يسمى بعدسة الجاذبية.

تأثير العدسة معروف جيدًا ، لكن الباحثين وجدوا هنا إشارة خفية: انخفاض واضح في السطوع بالنسبة إلى “ظل” الثقب الأسود في الخلف. اعتمادًا على حجم الثقوب السوداء ومدى تقارب مداراتها ، يمكن أن يستمر هذا التمويه الدقيق من بضع ساعات إلى بضعة أيام. يقول الباحثون أنه إذا قمت بقياس المدة التي يستمر فيها الانخفاض ، يمكنك تقدير أفق الحدث للثقب الأسود ، ونقطة عدم الخروج ، وحجم وشكل الظل حيث لا يهرب شيء ، ولا حتى الضوء.

في هذه المحاكاة ، التي تجمع بين زوج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة ، يظهر الثقب الأسود الأقرب إلى المراقب باللون الأزرق (الإطار 1) ، مما يؤدي إلى تكبير الثقب الأسود المتغير باللون الأحمر في الخلف عن طريق عدسة الجاذبية. نظرًا لأن أقرب ثقب أسود يضخم ضوء الثقب الأسود بعيدًا (الإطار 2) ، يرى المراقب ضوءًا أكثر سطوعًا. ولكن مع مرور أقرب ثقب أسود أمام الوادي أو ظل الثقب الأسود البعيد ، يرى المراقب انخفاضًا طفيفًا في السطوع (الإطار 3). يظهر طرف اللمعان (3) بوضوح في بيانات منحنى الضوء أسفل الصور. الائتمان: جوردي ديفالار

قال جوردي دافولور ، المؤلف الأول للدراسة ، في مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية في معهد Postdoc و Flatron في كولومبيا: “على مر السنين ، بذل العشرات من العلماء جهودًا هائلة لإنشاء صورة عالية الدقة للثقوب السوداء M87”. “هذا النهج يعمل فقط مع الثقوب السوداء الكبيرة جدًا والمغلقة – الزوج الموجود في قلب M87 ومجرة درب التبانة الخاصة بنا.”

وأضاف: “باستخدام أسلوبنا ، تقيس سطوع الثقوب السوداء بمرور الوقت ، دون الحاجة إلى حل كل شيء مكانيًا. يمكن الكشف عن هذه الإشارة في العديد من المجرات.

ظل الثقب الأسود هو أكثر سماته غموضًا وإفادة. قال جولدان هايمان ، أستاذ الفيزياء المساعد في جامعة كولومبيا: “تخبرنا هذه النقطة المظلمة عن حجم الثقب الأسود ، وشكل الزمكان من حوله ، وكيف تسقط المادة على ثقب أسود بالقرب من أفقه”.

على جانب اتصال ثقب أسود واسع ، يقوم الثقب الأسود الأقرب للمراقب بتكبير الثقب الأسود على مسافة كبيرة بتأثير عدسة الجاذبية. وجد الباحثون انخفاضًا قصيرًا في السطوع مشابهًا لـ “ظل” ثقب أسود بعيد ، مما يسمح للمراقب بقياس حجمه. الائتمان: نيكوليتا بارولويني

يمكن لظلال الثقب الأسود أيضًا أن تخفي سر الطبيعة الحقيقية للجاذبية ، وهي إحدى القوى الأساسية لكوننا. تتنبأ نظرية أينشتاين في الجاذبية ، والتي تسمى النسبية العامة ، بحجم الثقوب السوداء. لذلك ، سعى الفيزيائيون إلى اختبار نظريتين بديلتين لكيفية عمل الطبيعة من خلال تجربة نظريات بديلة للجاذبية: النسبية العامة لأينشتاين ، والتي تشرح الظواهر واسعة النطاق مثل دوران الكواكب واتساع الكون وفيزياء الكم. كيف يمكن للجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات والفوتونات أن تحتل حالات متعددة في وقت واحد.

بعد ذلك أصبح الباحثون مهتمين بحرق أكبر الثقوب السوداء تشخبص زوج مريب من الثقوب السوداء الهائلة في مركز مجرة ​​بعيدة في بدايات الكون.[{” attribute=””>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010