تحجيم “ظلال” اثنين من الثقوب السوداء الهائلة في عملية الاصطدام

في عملية دمج الثقوب السوداء الهائلة ، طريقة جديدة لقياس الفراغ

اكتشف العلماء طريقة لتحديد حجم “ ظلال ” اثنين من الثقوب السوداء الهائلة في عملية التصادم ، مما يمنح علماء الفلك أداة جديدة محتملة لقياس الثقوب السوداء في المجرات البعيدة واختبار نظريات الجاذبية البديلة.

قبل ثلاث سنوات ، أذهل العالم أول صورة لثقب أسود. حفرة سوداء من العدم محاطة بحلقة من الضوء الناري. تلك الصورة الأيقونية لـ[{” 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 لعدسات الجاذبية في زوج من الثقوب السوداء المدمجة الهائلة. الائتمان: جوردي ديفالار

هذه التقنية لها متطلبان فقط. أولاً ، أنت بحاجة إلى زوج من الثقوب السوداء الهائلة في خضم الاندماج. ثانيًا ، يجب أن تنظر إلى الزوج بزاوية جانبية تقريبًا. من وجهة النظر الجانبية هذه ، عندما يمر ثقب أسود أمام الآخر ، يجب أن تكون قادرًا على رؤية وميض الضوء الساطع حيث يتم تكبير الحلقة المتوهجة للثقب الأسود بعيدًا بواسطة الثقب الأسود الأقرب إليك ، وهي ظاهرة وهو ما يعرف بعدسة الجاذبية.

تأثير العدسة معروف جيدًا ، لكن ما اكتشفه الباحثون هنا كان إشارة خفية: انخفاض مميز في السطوع يتوافق مع “ظل” الثقب الأسود في الخلف. يمكن أن يستمر هذا التعتيم الدقيق من بضع ساعات إلى بضعة أيام ، اعتمادًا على حجم الثقوب السوداء ومدى تشابك مداراتها. يقول الباحثون ، إذا قمت بقياس المدة التي يستمر فيها الانخفاض ، يمكنك تقدير حجم وشكل الظل الناتج عن أفق حدث الثقب الأسود ، نقطة اللا خروج ، حيث لا يهرب شيء ، ولا حتى الضوء.

في هذه المحاكاة لزوج من الثقوب السوداء المدمجة الهائلة ، يقترب الثقب الأسود الأقرب إلى العارض وبالتالي يظهر باللون الأزرق (الإطار 1) ، مما يضخم الثقب الأسود المتحول إلى الأحمر في الخلف من خلال عدسة الجاذبية. نظرًا لأن أقرب ثقب أسود يضخم ضوء الثقب الأسود بعيدًا (الإطار 2) ، يرى العارض وميضًا ساطعًا من الضوء. ولكن عندما يمر أقرب ثقب أسود أمام هاوية أو ظل الثقب الأسود الأبعد ، يرى المشاهد انخفاضًا طفيفًا في السطوع (الإطار 3). يظهر هذا الانخفاض في السطوع (3) بوضوح في بيانات منحنى الضوء أسفل الصور. الائتمان: جوردي ديفالار

قال المؤلف الأول للدراسة ، جوردي دافيلار ، باحث ما بعد الدكتوراة في كولومبيا ومركز فلاتيرون للفيزياء الفلكية الحاسوبية: “لقد استغرق الأمر سنوات وجهدًا هائلاً من قبل عشرات العلماء لعمل تلك الصورة عالية الدقة للثقوب السوداء M87”. “هذا النهج يعمل فقط مع أكبر وأقرب الثقوب السوداء – الزوج الموجود في قلب M87 وربما مجرتنا درب التبانة.”

وأضاف: “باستخدام أسلوبنا ، تقيس سطوع الثقوب السوداء بمرور الوقت ، ولست بحاجة إلى حل كل كائن مكانيًا. يجب أن يكون من الممكن العثور على هذه الإشارة في العديد من المجرات “.

ظل الثقب الأسود هو أكثر سماته غموضًا وإفادة. قال المؤلف المشارك زولتان هايمان Zoltan Haiman ، أستاذ الفيزياء بجامعة كولومبيا: “تخبرنا تلك البقعة المظلمة عن حجم الثقب الأسود ، وشكل الزمكان من حوله ، وكيف تسقط المادة في الثقب الأسود بالقرب من أفقه”.

عند ملاحظة اندماج ثقب أسود فائق الكتلة من الجانب ، فإن الثقب الأسود الأقرب إلى العارض يكبر الثقب الأسود بعيدًا عن طريق تأثير عدسة الجاذبية. اكتشف الباحثون انخفاضًا قصيرًا في السطوع يتوافق مع “ظل” الثقب الأسود البعيد ، مما يسمح للمشاهد بقياس حجمه. الائتمان: نيكوليتا بارولويني

قد تخفي ظلال الثقب الأسود سر الطبيعة الحقيقية للجاذبية ، وهي إحدى القوى الأساسية لكوننا. تتنبأ نظرية الجاذبية لأينشتاين ، المعروفة باسم النسبية العامة ، بحجم الثقوب السوداء. لذلك ، سعى الفيزيائيون إلى البحث عنهم لاختبار نظريات بديلة للجاذبية في محاولة للتوفيق بين فكرتين متنافستين حول كيفية عمل الطبيعة: النسبية العامة لأينشتاين ، التي تشرح الظواهر واسعة النطاق مثل تدور الكواكب والكون الآخذ في الاتساع ، وفيزياء الكم ، وهو ما يفسر كيف يمكن للجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات والفوتونات أن تحتل حالات متعددة في وقت واحد.

أصبح الباحثون مهتمين بإشعال الثقوب السوداء الهائلة بعد ذلك مراقب زوج مشتبه به 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