Астрономы разработали уравнения, позволяющие точно описать отражения Вселенной, которые образуются в искаженном свете вокруг черной дыры.
![]()
Фото из открытых источников
Близость каждого отражения зависит от угла наблюдения относительно черной дыры и скорости вращения черной дыры. Это выяснилось благодаря математическому подходу, разработанному в июле 2021 года студентом-физиком Альбертом Снеппеном из Института Нильса Бора в Дании.
Это дало астрономам новый инструмент для исследования гравитационной среды вокруг этих экстремальных объектов.
«Есть что-то фантастически прекрасное в том, чтобы теперь понять, почему изображения повторяются таким элегантным образом», - сказал Снеппен. «Кроме того, это предоставляет новые возможности для проверки нашего понимания гравитации и черных дыр».
Если есть одна вещь, которой славятся черные дыры, это их чрезвычайная гравитация. Например, за границами определенного радиуса скорость света в вакууме недостаточна для достижения скорости убегания.
Эта точка невозврата, называемая горизонтом событий, который определяется так называемым радиусом Шварцшильда, и именно по этой причине мы говорим, что даже свет не может вырваться из притяжения черной дыры.
Однако за горизонтом событий черной дыры окружающая среда также серьезно нарушена. Гравитационное поле настолько мощное, что кривизна пространства-времени почти круглая.
Любые фотоны, попадающие в это пространство, естественно, должны следовать этой кривизне. Это означает, что, с нашей точки зрения, путь света кажется искаженным и изогнутым.
На самом внутреннем краю этого пространства, сразу за горизонтом событий, мы можем видеть то, что называется фотонным кольцом, где фотоны путешествуют по орбите вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем либо упасть в черную дыру, либо уйти в космос.
Это означает, что свет от удаленных объектов за черной дырой может быть увеличен, искажен и «отражен» несколько раз. Астрономы называют это гравитационной линзой. Данный эффект является полезным инструментом для изучения Вселенной.
Итак, мы знали об эффекте в течение некоторого времени, и ученые выяснили, что чем ближе вы смотрите на черную дыру, тем больше отражений вы видите от удаленных объектов.
Чтобы перейти от одного изображения к следующему изображению, вам нужно было смотреть примерно в 500 раз ближе к оптическому краю черной дыры или экспоненциальной функции двух пи (e2π), но почему это было так, было трудно математически описать.
Подход Снеппена заключался в том, чтобы переформулировать траекторию света и количественно оценить ее линейную стабильность, используя дифференциальные уравнения второго порядка. Он обнаружил, что его решение не только математически описывает, почему изображения повторяются на расстояниях e2π, но и что оно может работать для вращающейся черной дыры – и что расстояние повторения зависит от вращения.
«Оказывается, когда она вращается очень быстро, вам больше не нужно приближаться к черной дыре в 500 раз, а значительно меньше», - сказал Снеппен. «На самом деле, каждое изображение теперь только 50, или пять, или даже всего в два раза ближе к краю черной дыры».
На практике это будет трудно увидеть, по крайней мере, в ближайшее время – просто посмотрите на интенсивный объем работы, который был затрачен на неразрешенное изображение кольца света вокруг сверхмассивной черной дыры Повехи (M87 *).
Однако теоретически вокруг черной дыры должно быть бесконечное количество световых колец. Поскольку мы однажды изобразили тень сверхмассивной черной дыры, мы надеемся, что это только вопрос времени, когда мы сможем получить более качественные изображения, и уже есть планы по изображению фотонного кольца.
Однажды бесконечные изображения вблизи черной дыры могут стать инструментом для изучения не только физики черных дыр, но и объектов за ними – повторяющихся в бесконечных отражениях на орбитальной бесконечности.
Исследование было опубликовано в Scientific Reports.
