In zwei supermassereichen kompakten Schwarzen Löchern eine neue Methode zur Messung des Vakuums

In dieser Simulation einer Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher bläst das blauverschobene Schwarze Loch, das dem Betrachter am nächsten ist, das rotverschobene Schwarze Loch dahinter durch eine Gravitationslinse auf. Die Forscher entdeckten einen offensichtlichen Helligkeitsabfall, als das nächste Schwarze Loch vor dem Schatten seines Gegenstücks vorbeizog, eine Beobachtung, die verwendet werden kann, um die Größe von Schwarzen Löchern zu messen und alternative Gravitationstheorien zu testen. Bildnachweis: Jordi Davilar

Vor drei Jahren war die Welt fassungslos über das erste Bild eines Schwarzen Lochs. Ein schwarzes Loch aus dem Nichts, umgeben von einem Ring feurigen Lichts. Dieses ikonische Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87 entstand dank des Event Horizon Telescope, einem globalen Netzwerk synchronisierter Radioschüsseln, die wie ein einziges Riesenteleskop fungieren.

Jetzt haben zwei Forscher der Columbia University einen einfacheren Weg gefunden, in einen Abgrund zu starren. enthalten in Ergänzungsstudien in Briefe zur körperlichen Überprüfung Und körperliche Untersuchung d, ihre Bildgebungstechnik könnte es Astronomen ermöglichen, Schwarze Löcher zu untersuchen, die kleiner sind als M87, ein Monster mit einer Masse von 6,5 Milliarden Sonnen, und sich in Galaxien zu verstecken, die weiter entfernt sind als M87, die 55 Millionen Lichtjahre entfernt und immer noch relativ nahe an unserem Weg liegt. Straße.

Diese Technik hat nur zwei Anforderungen. Zuerst brauchen Sie ein Paar supermassiver Schwarzer Löcher inmitten einer Verschmelzung. Zweitens sollten Sie das Paar ungefähr in einem Seitenwinkel betrachten. Wenn aus dieser Seitenansicht ein Schwarzes Loch vor dem anderen vorbeizieht, sollten Sie in der Lage sein, einen hellen Lichtblitz zu sehen, wenn der leuchtende Ring des Schwarzen Lochs durch das Schwarze Loch, das Ihnen am nächsten ist, vergrößert wird, ein Phänomen, das als bekannt ist Gravitationslinsen.

Die Wirkung der Linse ist bekannt, aber was die Forscher hier entdeckten, war ein subtiles Signal: ein charakteristischer Helligkeitsabfall, der dem “Schatten” des Schwarzen Lochs im Hintergrund entspricht. Diese subtile Verdunkelung kann von einigen Stunden bis zu einigen Tagen dauern, abhängig von der Größe der Schwarzen Löcher und wie eng ihre Umlaufbahnen miteinander verflochten sind. Wenn Sie messen, wie lange der Tropfen dauert, sagen die Forscher, können Sie die Größe und Form des Schattens abschätzen, der vom Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs geworfen wird, dem Punkt ohne Austritt, an dem nichts entweicht, nicht einmal Licht.

„Es hat Jahre und enorme Anstrengungen von Dutzenden von Wissenschaftlern gekostet, dieses hochauflösende Bild von M87-Schwarzen Löchern zu machen“, sagte der Erstautor der Studie, Jordi Davilar, Postdoc an der Columbia und dem Flatiron Center for Computational Astrophysics. „Dieser Ansatz funktioniert nur bei größeren und näheren Schwarzen Löchern – dem Paar im Kern von M87 und möglicherweise unserer Milchstraße.“





Simulation von Gravitationslinsen in einem Paar supermassiver kompakter Schwarzer Löcher. Bildnachweis: Jordi Devalar

„Mit unserer Methode misst man die Helligkeit von Schwarzen Löchern über die Zeit und muss nicht jedes Objekt räumlich auflösen. Dieses Signal sollte in vielen Galaxien zu finden sein“, fügte er hinzu.

Der Schatten des Schwarzen Lochs ist sein geheimnisvollstes und lehrreichstes Merkmal. „Dieser dunkle Fleck verrät uns etwas über die Größe des Schwarzen Lochs, die Form der Raumzeit um ihn herum und wie Materie in das Schwarze Loch in der Nähe seines Horizonts fällt“, sagte Co-Autor Zoltan Haiman, Professor für Physik an der Columbia University.

Die Schatten eines Schwarzen Lochs können das Geheimnis der wahren Natur der Schwerkraft verbergen, einer der grundlegenden Kräfte unseres Universums. Einsteins Gravitationstheorie, bekannt als Allgemeine Relativitätstheorie, sagt die Größe von Schwarzen Löchern voraus. Daher haben Physiker sie aufgesucht, um alternative Gravitationstheorien zu testen, um zwei konkurrierende Vorstellungen darüber, wie die Natur funktioniert, in Einklang zu bringen: Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die großräumige Phänomene wie Planeten umkreist und ein expandierendes Universum erklärt, und Quantenphysik, was erklärt, wie kleine Teilchen wie Elektronen und Photonen mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können.

Die Forscher interessierten sich für das Zünden supermassiver Schwarzer Löcher, nachdem sie ein mutmaßliches Paar supermassiver Schwarzer Löcher im Zentrum einer entfernten Galaxie im frühen Universum entdeckt hatten. Das Kepler-Weltraumteleskop der NASA suchte nach den leichten Helligkeitseinbrüchen, die einem Planeten entsprechen, der vor seinem Wirtsstern vorbeizieht. Stattdessen entdeckte Kepler schließlich Fackeln von etwas, von dem Hyman und seine Kollegen behaupten, dass es sich um ein Paar kompakter Schwarzer Löcher handelt.

Sie nannten die ferne Galaxie „Spikey“ wegen der Helligkeitsspitzen, die durch mutmaßliche Schwarze Löcher verursacht werden, die sich bei jedem vollen Zyklus durch einen Linseneffekt gegenseitig vergrößern. Um mehr über Flare zu erfahren, baute Hyman mit Postdoc Davilar ein Modell.

In zwei supermassereichen kompakten Schwarzen Löchern eine neue Methode zur Messung des Vakuums

In dieser Simulation eines Paares supermassiver kompakter Schwarzer Löcher kommt das Schwarze Loch, das dem Betrachter am nächsten ist, näher und erscheint daher blau (Kasten 1), wodurch das rotverschobene Schwarze Loch dahinter durch eine Gravitationslinse aufgeblasen wird. Während das nächste Schwarze Loch das Licht des weiter entfernten Schwarzen Lochs verstärkt (Kasten 2), sieht der Betrachter einen hellen Lichtblitz. Aber wenn das nächste Schwarze Loch vor einem Abgrund oder dem Schatten des entferntesten Schwarzen Lochs vorbeizieht, sieht der Betrachter eine leichte Abnahme der Helligkeit (Kasten 3). Diese Helligkeitsabnahme (3) ist in den Lichtkurvendaten unterhalb der Bilder deutlich sichtbar. Bildnachweis: Jordi Devalar

Sie waren jedoch verwirrt, als ein Paar simulierter Schwarzer Löcher jedes Mal, wenn eines vor dem anderen umkreiste, zu einem unerwarteten, aber periodischen Helligkeitsabfall führte. Zuerst dachten sie, es sei ein Codierungsfehler. Aber weitere Untersuchungen führten dazu, dass sie dem Signal vertrauten.

Als sie nach einem physikalischen Mechanismus suchten, um dies zu erklären, stellten sie fest, dass jeder Helligkeitsabfall genau der Zeit entspricht, die das Schwarze Loch benötigt, das dem Betrachter am nächsten ist, um den Schatten des Schwarzen Lochs im Hintergrund zu passieren.

Die Forscher sehen sich derzeit andere Teleskopdaten an, um zu versuchen, die Regression zu bestätigen, die sie in den Kepler-Daten gesehen haben, um zu bestätigen, dass Spikey tatsächlich ein Paar verschmolzener Schwarzer Löcher beherbergt. Wenn alles verifiziert ist, könnte die Technik auf eine Handvoll anderer mutmaßlicher Paare von verschmelzenden supermassereichen Schwarzen Löchern unter den etwa 150 bisher beobachteten und auf Bestätigung wartenden Paaren angewendet werden.

Wenn in den kommenden Jahren leistungsstärkere Teleskope online gehen, können sich weitere Möglichkeiten ergeben. Das Vera-Rubin-Observatorium, das dieses Jahr eröffnet werden soll, zielt auf mehr als 100 Millionen supermassereiche Schwarze Löcher ab. Wenn der Gravitationswellendetektor der NASA, LISA, im Jahr 2030 ins All geschossen wird, wird die Erforschung von Schwarzen Löchern noch mehr möglich sein.

„Selbst wenn nur ein kleiner Teil dieser Schwarzloch-Binärdateien die richtigen Bedingungen hat, um unseren vorgeschlagenen Effekt zu messen, können wir viele Regressionen von Schwarzen Löchern finden“, sagte Davilar.


Very Large Telescope enthüllt bis dato nächstgelegenes Paar supermassereicher Schwarzer Löcher


Mehr Informationen:
Jordi Davilar et al., Autonomous lens flares from black hole binaries: Observing black hole shadows via light curve tomography, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

Jordi Davilar et al., Autonomous lens flares from black hole binaries: General relativistic ray tracing for black hole binaries, körperliche Untersuchung d (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevD.105.103010

Bereitgestellt von der Columbia University

das Zitat: In einem Paar kompakter supermassiver Schwarzer Löcher, eine neue Methode zur Messung des Vakuums (9. Mai 2022) Abgerufen am 10. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-pair-merging-supermassive- Schwarze Löcher. html

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