Новые изображения черной дыры с высоким разрешением бросают вызов теории относительности Эйнштейна
Черная дыра может чувствовать себя самым далеким и нереальным объектом, о котором вы когда-либо могли подумать, но то, как ее тьма изгибает свет, может однажды напрямую говорить с самыми глубокими частями физики.
Если вы когда-либо смотрели на знаменитые изображения гигантского объекта в галактике M87 или того, что находится в центре Млечного Пути, вы уже видели то, что ученые называют тенью черной дыры. Эти светящиеся кольца горячего газа окружают пустое пространство, где свет исчезает навсегда. Они несут сигналы, которые могут помочь решить, что такое гравитация на самом деле и следует ли Вселенная правилам Эйнштейна или чему-то еще более странному.
Глядя на гравитацию, где она сжимает свои пределы
Общая теория относительности формирует наше понимание пространства и времени уже более века. Она объясняет, как массивные объекты искривляют пространство-время и предсказывает, что черные дыры должны формироваться, когда материя коллапсирует под собственным весом.
Большинство тестов относительности происходят из таких нежных мест, как Солнечная система, но черная дыра предлагает нечто совсем другое. Ее гравитация настолько сильна, что даже свет не может убежать. Это делает ее край, называемый горизонтом событий, идеальным стресс-тестом любой теории, которая утверждает, что описывает, как работает Вселенная.
Когда телескоп Event Horizon выпустил первые изображения тени, появилась новая надежда, что гравитация может быть проверена способами, которые когда-то казались невозможными. Профессор Лучано Резцолла из Университета Гёте во Франкфурте описывает, что показывают эти изображения. «То, что вы видите на этих изображениях, — это не сама черная дыра, а скорее горячая материя в ее непосредственной близости», — говорит он. Что закрученная материя излучает окончательную вспышку света, прежде чем она упадет за точку невозврата. Эти последние сигналы образуют яркое кольцо, которое очерчивает темный центр. Это кольцо — то, что исследователи теперь хотят прочитать более внимательно.
Как ученые сравнивают тени черных дыр
Группа исследователей из Франкфурта и Института Цунг-Дао Ли в Шанхае проверила, что произойдет, если гравитация будет работать иначе, чем предсказывал Эйнштейн. Они провели детальное трехмерное компьютерное моделирование, показывающее, как плазменные и магнитные поля ведут себя вокруг многих типов гипотетических черных дыр. Затем они проследили, как свет будет путешествовать из этой насильственной области и построили синтетические изображения на основе каждой гравитационной модели.
Эти изображения сравнивались с тенью, созданной стандартной черной дырой Керра, которая является версией, предсказанной общей теорией относительности. Команда измерила, как модели отличались по форме, размеру и паттернам яркости. Этот тщательный осмотр выявил кое-что важное. Если несоответствие между версией Эйнштейна и альтернативной моделью больше, чем примерно 2-5 процентов, то будущие телескопы должны быть в состоянии отличить их друг от друга.
Впервые ученые теперь знают точность, необходимую для проверки конкурирующих теорий. Ключ заключается в достижении наглядности на уровне процентов на изображениях. Современные телескопы пока не могут достичь этого разрешения, но исследователи считают, что новые станции на Земле и возможные космические телескопы могут достичь этой цели в ближайшие годы.
Почему несколько процентов имеют значение
Изменение всего лишь нескольких процентов тени может показаться небольшим, но оно может изменить физику. Если вы наблюдали тень, которая отличалась от предсказания Эйнштейна даже на такое небольшое количество, это может намекнуть на то, что пространство по-разному изгибается вблизи черной дыры. Это также может указывать на экзотические идеи, такие как необходимость в необычных формах материи или нарушение физических законов, которые теперь считаются твердыми. И если тень соответствует ожиданиям Эйнштейна, она укрепляет теорию, которая пережила испытание за испытанием.
До сих пор наблюдения исключали только самые экстремальные возможности, такие как червоточины и голые сингулярности. Но неопределенности измерений остаются большими, и ученые хотят более четкие и чистые изображения, прежде чем они сделают более сильные выводы. Реззолла считает, что эти тесты необходимы. «Даже установленная теория должна постоянно проверяться, особенно с экстремальными объектами, такими как черные дыры», — говорит он.
Проблемы, которые остаются
Превратить черную дыру в инструмент для проверки гравитации непросто. Окружающая среда вблизи горизонта событий меняется быстро, так как плазма скручивается и нагревается с невероятной скоростью. Эти изменения могут изменить то, как выглядит тень, и могут скрыть тонкие признаки, в которых нуждаются ученые. Телескопы также должны достичь почти невозможного разрешения. Исследователи сравнивают это с обнаружением монеты на Луне с Земли.
Шум, проблемы калибровки и естественные колебания в плазме могут размыть представление. Для преодоления этого ученым понадобятся более совершенные алгоритмы, которые реконструируют изображения с меньшим искажением. Они также планируют наблюдать черные дыры на нескольких длинах волн и в течение нескольких дней, чтобы уменьшить неопределенность.
Космические телескопы могли бы помочь еще больше. Одна антенна, расположенная далеко от Земли, растянула бы расстояние между точками наблюдения и обострила бы общую картину. Если бы астрономы достигли необходимого разрешения, они могли бы с большой точностью измерить радиус тени и сравнить ее с предсказаниями многих гравитационных моделей.
Дорога впереди
Команды, участвующие в этом исследовании, настроены оптимистично. Новые обсерватории уже планируются и вскоре могут присоединиться к сетям, которые образуют системы радиотелескопов размером с Землю. С каждым повышением чувствительности, калибровки и охвата изображения черных дыр становятся все острее. Как это происходит, тени этих космических гигантов могут выявить то, чего люди никогда не видели: прямые доказательства того, что гравитация соответствует или не соответствует сценарию Эйнштейна.
Эта возможность вызывает удивление и смирение. Черная дыра может выглядеть как пустой круг тьмы, но скрытая внутри этого контура, является шансом узнать, есть ли у Вселенной больше, чтобы сказать о своих собственных правилах.
Результаты исследований доступны онлайн в журнале Nature Astronomy.
Связанные истории
Как будто эти истории кажутся хорошими? Получите бюллетень «Светлая сторона новостей»
