Тень чёрной дыры как новая «стандартная линейка» в космологии | Популярный университет

Тень чёрной дыры как новая «стандартная линейка» в космологии

Размеры теней чёрных дыр на космологических расстояниях исследовали сотрудники ИКИ РАН Геннадий Семёнович Бисноватый-Коган и Олег Юрьевич Цупко. Полученные ими результаты можно использовать для определения космологических параметров и уточнения модели эволюции Вселенной.

Считается, что в центре большинства галактик находится сверхмассивная чёрная дыра с огромной массой — миллионы или даже миллиарды масс Солнца. Сама чёрная дыра невидима, но она может быть «видима» как тёмное пятно на фоне других ярких источников. Такое пятно называется тенью чёрной дыры (black hole shadow). В апреле 2019 года проект Event Horizon Telescope («телескоп горизонта событий») представил нашумевшую «фотографию» чёрной дыры — это были результаты наблюдений именно тени сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87.

Основная проблема в наблюдении тени чёрной дыры — её крайне малый угловой размер. Поэтому исследователям нужно было достичь очень высокого углового разрешения. Представители проекта Event Horizon Telescope приводят такой пример: разрешения, достигнутого в проекте, достаточно, чтобы читать газету в Нью-Йорке, находясь в уличном кафе в Париже («enough to read a newspaper in New York from a sidewalk café in Paris»).

В работах сотрудников ИКИ, посвящённых этой тематике, изучаются тени чёрных дыр, находящихся на очень далёких, как говорят, космологических расстояниях — в миллиарды световых лет. (Также в качестве меры удалённости объекта в расширяющейся Вселенной используется т.н. «красное смещение» его спектра z: чем оно больше, тем объект дальше от нас.)

Казалось бы, в силу большого расстояния тени таких чёрных дыр должны быть очень малы. Ведь в обычной жизни мы привыкли к тому, что чем дальше находится объект, тем меньше его угловой размер для нас. Однако на космологических расстояниях на распространении света начинает сказываться расширение Вселенной, а именно — на распространении лучей, идущих из окрестности чёрной дыры к нам.

Расширение Вселенной приводит к тому, что на больших расстояниях наблюдаемый угловой размер объекта начинает не уменьшаться, а увеличиваться с ростом красного смещения. Это приводит к тому, что тени от очень далёких чёрных дыр могут иметь достаточно большие угловые размеры, чтобы их можно было наблюдать с помощью телескопов следующих поколений, например, James Webb Space Telescope и «Миллиметрон».

Исследуя эту гипотезу, сотрудники ИКИ РАН Геннадий Семёнович Бисноватый-Коган, руководитель лаборатории магнитоплазменных процессов в релятивистской астрофизике, и Олег Юрьевич Цупко, старший научный сотрудник лаборатории, получили связь ожидаемого углового размера тени с красным смещением (статья была опубликована в 2018 году при поддержке гранта РНФ 18-12-00378 в журнале Physical Review D).

Было показано, в частности, что в определённых условиях размер тени чёрной дыры на большом красном смещении может быть сравним с размером тени чёрной дыры в центре нашей Галактики.

На основе этих вычислений исследователи предложили использовать тень чёрной дыры в качестве так называемой «стандартной линейки» в космологии (standard ruler). «Стандартной линейкой» в космологии называются астрономические объекты с известным размером. Эффективный линейный размер тени чёрной дыры (фактически, линейный размер той области пространства, которую мы воспринимаем как «тень») определяется главным образом её массой. Следовательно, если мы можем точно измерить массу чёрной дыры, то физический размер её тени станет нам известен. Поделив его на наблюдаемый угловой размер тени, мы определяем расстояние до чёрной дыры. Полученное таким образом расстояние можно сравнить с расстоянием, вычисленным исходя из красного смещения для данной космологической модели. Если эти два расстояния совпадают, это означает, что используется правильная космологическая модель. Если же нет — мы можем, исходя из этого сравнения, «подправить» параметры модели.

Например, таким образом можно получить постоянную Хаббла (Hubble constant). Постоянная Хаббла измеряется различными методами, при этом присутствует несогласованность между результатами. Поэтому новые независимые способы её получения имеют принципиальное значение.

Рисунок. Ожидаемый угловой размер тени чёрной дыры с учётом влияния расширения Вселенной в зависимости от красного смещения. Чёрными сплошными линиями показаны кривые для трёх разных масс. Кривые вычислены для современного набора космологических параметров. Из рисунка видно, что на больших красных смещениях угловой размер тени начинает увеличиваться и может достигать размеров тени в галактике M87 (показан для сравнения красным кружком). Источник: О.Ю. Цупко

Чтобы использовать этот метод, необходимо увеличение углового разрешения телескопов примерно на один порядок. Этого можно добиться, используя космические интерферометры с большой базой, а также уменьшая длину волны наблюдения — см., например, будущие проекты James Webb Space Telescope и «Миллиметрон». Кроме того, необходимо точное независимое определение масс чёрных дыр. Для этого в настоящий момент используются различные методы: прямые методы, основанные на динамике звёзд или газа около чёрной дыры, наблюдения мазеров, метод реверберации (reverberation mapping) и другие.

Рисунок. Теоретически тень определяется как область неба, которая остаётся тёмной, если источники света распределены повсюду, но не между наблюдателем и чёрной дырой. На рисунке показано образование тени в случае сферически-симметричной чёрной дыры.
Слева: представим, что наблюдатель не принимает лучи, а сам испускает их. Испущенные лучи можно разделить на два класса. Лучи первого класса (красные кривые) отклоняются чёрной дырой (слабо или сильно) и уходят на бесконечность. Лучи второго класса (синие кривые) идут к горизонту чёрной дыры и поглощаются ею. Пограничной ситуацией между этими двумя классами являются световые лучи, которые асимптотически по спирали навиваются на фотонную сферу, заполненную нестабильными круговыми световыми орбитами (оранжевая кривая).
Справа: теперь предположим, что существует множество источников света, распределённых со всех сторон вокруг чёрной дыры. Каждый источник света испускает световые лучи во всех направлениях, и некоторые из этих лучей достигают наблюдателя. Хотя возможны очень разнообразные траектории световых лучей от источников к наблюдателю, ни один из лучей, достигающих наблюдателя, не может пройти через область, заполненную лучами второго типа (синие лучи на левой картинке). Следовательно, конус, ограниченный световыми лучами, которые спиралевидно движутся к фотонной сфере, будет пустым (тёмным), поэтому наблюдатель увидит в небе чёрный диск — тень чёрной дыры. Источник: О.Ю. Цупко

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: