Кольца света вокруг черных дыр могут позволить взглянуть на историю Вселенной

Москва, 10:57, 19 Мар 2020, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Год назад долгая, кропотливая работа ученых по всему миру позволила получить самое первое прямое изображение горизонта событий черной дыры, сверхмассивного монстра под названием M87 * на расстоянии 55 миллионов световых лет. Это великолепное, золотистое, размытое изображение подтвердило многие наши представления о черных дырах.

Но наука на этом не остановилась. Команда ученых выполнила расчеты на основе того, что мы узнали из M87 * в сочетании с предсказаниями общей теории относительности, чтобы дополнительно предсказать, как однажды мы увидим эти объекты во многих подробностях.

Черные дыры невероятно гравитационно интенсивны. Они не только настолько массивны, что даже скорость света слишком медленная, чтобы достичь скорости убегания от их гравитационного притяжения, но и изгибают путь прохождения света вокруг них, за горизонтом событий.

Если проходящий фотон находится слишком близко, 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 внутри внутреннего края аккреционного диска, но за пределами горизонта событий.

Это также известно как самая стабильная внутренняя орбита, и вы можете увидеть 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 похожую 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 вращался вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем достигнуть наблюдателя».

На этом историческом первом изображении 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 ее, но она должна располагаться по краю тени черной дыры.

Какую информацию несет фотонное кольцо?

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

«Каждая подстрока 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 подкольцо содержит отдельное экспоненциально искаженное изображение всей Вселенной, причем каждая последующая подстрока захватывает видимую Вселенную раньше».

«Вместе набор подстрок похож на кадры фильма, в которых запечатлена история видимой Вселенной, наблюдаемой 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.