Zespół astrofizyków, kierowany przez naukowców z Institute for Advanced Study, opracował innowacyjną technikę poszukiwania echa świetlnego czarnej dziury. Ich nowatorska metoda, która ułatwi pomiar masy i spinu czarnych dziur, stanowi duży krok naprzód, ponieważ działa niezależnie od wielu innych sposobów, którymi naukowcy badali te parametry w przeszłości.
Badania, opublikowane dzisiaj w The Astrophysical Journal Letters, wprowadzają metodę, która może dostarczyć bezpośrednich dowodów na to, że fotony krążą wokół czarnych dziur w wyniku efektu znanego jako „soczewkowanie grawitacyjne”.
Soczewkowanie grawitacyjne ma miejsce, gdy światło przechodzi w pobliżu czarnej dziury, a jego droga jest zakrzywiana przez silne pole grawitacyjne czarnej dziury. Efekt ten umożliwia światłu podróżowanie wieloma drogami od źródła do obserwatora na Ziemi: niektóre promienie światła mogą podążać bezpośrednią trasą, podczas gdy inne mogą okrążyć czarną dziurę raz – lub wiele razy – zanim dotrą do nas. Oznacza to, że światło z tego samego źródła może docierać do obiektu w różnym czasie, tworząc „echo”.
„Od lat snuto teorie, że światło krąży wokół czarnych dziur, powodując echa, ale takich ech nie udało się jeszcze zmierzyć” – mówi główny autor badania, George N. Wong, Frank i Peggy Taplin, członkowie Szkoły Nauk Przyrodniczych Instytutu oraz stypendystka naukowa w Princeton Gravity Initiative na Uniwersytecie Princeton. „Nasza metoda oferuje schemat wykonywania tych pomiarów, który może potencjalnie zrewolucjonizować nasze rozumienie fizyki czarnych dziur”.
Technika ta umożliwia odizolowanie słabych sygnatur echa od silniejszego, bezpośredniego światła rejestrowanego przez dobrze znane teleskopy interferometryczne, takie jak Teleskop Horyzontu Zdarzeń. Zarówno Wong, jak i jedna z jego współautorek, Lia Medeiros, wizytator w Szkole Nauk Przyrodniczych Instytutu i stypendystka NASA Einstein na Uniwersytecie Princeton, intensywnie pracowali w ramach współpracy w ramach teleskopu Event Horizon Telescope Collaboration.
Aby przetestować swoją technikę, Wong i Medeiros, współpracując z Jamesem Stone’em, profesorem w Szkole Nauk Przyrodniczych i Alejandro Cárdenas-Avendaño, Feynman Fellow w Los Alamos National Laboratory i byłym Associate Research Scholar na Uniwersytecie Princeton, przeprowadzili symulacje w wysokiej rozdzielczości, które wykonał dziesiątki tysięcy „migawek” światła podróżującego wokół supermasywnej czarnej dziury podobnej do tej w centrum galaktyki M87 (M87*), które znajduje się około 55 milionów lat świetlnych od Ziemi. Korzystając z tych symulacji, zespół wykazał, że opracowana przez nich metoda może bezpośrednio wywnioskować okres opóźnienia echa w symulowanych danych. Wierzą, że ich technika będzie miała zastosowanie do innych czarnych dziur, oprócz M87*.
„Ta metoda nie tylko pozwoli potwierdzić, kiedy zmierzono światło krążące wokół czarnej dziury, ale także zapewni nowe narzędzie do pomiaru podstawowych właściwości czarnej dziury” – wyjaśnia Medeiros.
Zrozumienie tych właściwości jest ważne. „Czarne dziury odgrywają znaczącą rolę w kształtowaniu ewolucji Wszechświata” – mówi Wong. „Mimo że często skupiamy się na tym, jak czarne dziury przyciągają rzeczy, wyrzucają one również duże ilości energii do swojego otoczenia. Odgrywają główną rolę w rozwoju galaktyk, wpływając na to, jak, kiedy i gdzie powstają gwiazdy, a także pomagając określić jak ewoluuje struktura samej galaktyki. Znajomość rozkładu mas i spinów czarnych dziur oraz tego, jak rozkład ten zmienia się w czasie, znacznie poszerza naszą wiedzę o wszechświecie”.
Pomiar masy lub spinu czarnej dziury jest trudny. Natura dysku akrecyjnego, a mianowicie wirująca struktura gorącego gazu i innej materii spiralnie wędrująca do środka w kierunku czarnej dziury, może „zakłócić” pomiar, zauważa Wong. Jednakże echa świetlne zapewniają niezależny pomiar masy i spinu, a wielokrotne pomiary pozwalają nam oszacować te parametry, „w które naprawdę możemy wierzyć” – stwierdza Medeiros.
Wykrywanie ech świetlnych może również umożliwić naukowcom lepsze przetestowanie teorii grawitacji Alberta Einsteina. „Dzięki tej technice możemy znaleźć rzeczy, które sprawią, że pomyślimy: «Hej, to jest dziwne!»” – dodaje Medeiros. „Analiza takich danych może pomóc nam sprawdzić, czy czarne dziury rzeczywiście są zgodne z ogólną teorią względności”.
Wyniki zespołu sugerują, że możliwe będzie wykrycie echa za pomocą pary teleskopów – jednego na Ziemi i jednego w przestrzeni – współpracujących w celu przeprowadzenia czegoś, co można określić jako „interferometrię bardzo długiej linii bazowej”. Taka misja interferometryczna musi być jedynie „skromna” – stwierdza Wong. Ich technika zapewnia wykonalną i praktyczną metodę gromadzenia ważnych i wiarygodnych informacji o czarnych dziurach.