Çarpışma Sürecinde İki Süper Kütleli Kara Deliğin “Gölgelerini” Boyutlandırmak

Bir Çift Süper Kütleli Kara Delikte, Boşluğu Ölçmek İçin Yeni Bir Yöntem

Bilim adamları, çarpışma sürecinde iki süper kütleli kara deliğin ‘gölgelerini’ boyutlandırmanın bir yolunu keşfettiler, bu da gökbilimcilere uzak galaksilerdeki kara delikleri ölçmek ve alternatif yerçekimi teorilerini test etmek için potansiyel olarak yeni bir araç sağladı.

Üç yıl önce, dünya bir kara deliğin ilk görüntüsü karşısında hayrete düştü. Ateşli bir ışık halkasıyla çevrelenmiş siyah bir hiçlik çukuru. O ikonik görüntü[{” attribute=””>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

Birleşen bir çift süper kütleli karadelikte kütleçekimsel merceklenme simülasyonu. Kredi bilgileri: Jordy Devalaar

Tekniğin sadece iki şartı var. İlk olarak, birleşme sancılarında bir çift süper kütleli kara deliğe ihtiyacınız var. İkincisi, çifte neredeyse yan açıyla bakmanız gerekir. Bu yan bakış noktasından, bir kara delik diğerinin önünden geçerken, uzaktaki kara deliğin parlayan halkası size en yakın karadelik tarafından büyütüldüğünden parlak bir ışık parlaması görebilmelisiniz, bu bir fenomendir. buna yerçekimi merceklenmesi denir.

Mercekleme etkisi iyi biliniyor, ancak araştırmacıların burada keşfettiği şey gizli bir sinyaldi: arkadaki kara deliğin “gölgesine” karşılık gelen parlaklıkta belirgin bir düşüş. Bu ince karartma, kara deliklerin ne kadar büyük olduğuna ve yörüngelerinin ne kadar iç içe olduğuna bağlı olarak birkaç saatten birkaç güne kadar sürebilir. Araştırmacılar, düşüşün ne kadar sürdüğünü ölçerseniz, kara deliğin olay ufkunun, çıkışın olmadığı, hiçbir şeyin, hatta ışığın bile kaçmadığı nokta tarafından oluşturulan gölgenin boyutunu ve şeklini tahmin edebileceğinizi söylüyorlar.

Birleşen bir çift süper kütleli kara deliğin bu simülasyonunda, izleyiciye en yakın olan kara delik yaklaşıyor ve bu nedenle mavi görünür (1. kare), yerçekimsel mercekleme yoluyla arkadaki kırmızıya kayan kara deliği güçlendiriyor. En yakındaki kara delik, uzaktaki kara deliğin ışığını yükselttiğinden (kare 2), izleyici parlak bir ışık parlaması görür. Ancak en yakın kara delik, en uzak kara deliğin uçurumunun veya gölgesinin önünden geçtiğinde, izleyici parlaklıkta hafif bir düşüş görür (kare 3). Bu parlaklık düşüşü (3), görüntülerin altındaki ışık eğrisi verilerinde açıkça görülmektedir. Kredi bilgileri: Jordy Devalaar

Columbia ve Flatiron Enstitüsü’nün Hesaplamalı Astrofizik Merkezi’nde doktora sonrası araştırmacı olan çalışmanın ilk yazarı Jordy Davelaar, “M87 kara deliklerinin bu yüksek çözünürlüklü görüntüsünü oluşturmak için düzinelerce bilim insanı tarafından yıllar ve büyük bir çaba harcandı” dedi. “Bu yaklaşım yalnızca en büyük ve en yakın kara delikler için işe yarar – M87’nin kalbindeki çift ve potansiyel olarak kendi Samanyolumuz.”

“Tekniğimiz ile karadeliklerin parlaklığını zaman içinde ölçüyorsunuz, her bir nesneyi uzamsal olarak çözmenize gerek yok. Bu sinyali birçok galakside bulmak mümkün olmalı.”

Bir kara deliğin gölgesi hem en gizemli hem de bilgilendirici özelliğidir. Columbia’da fizik profesörü olan ortak yazar Zoltan Haiman, “Bu karanlık nokta bize kara deliğin boyutunu, etrafındaki uzay-zamanın şeklini ve maddenin ufkuna yakın kara deliğe nasıl düştüğünü anlatıyor” dedi.

Süper kütleli bir karadelik birleşmesini yandan gözlemleyerek, izleyiciye en yakın olan karadelik, yerçekimsel mercekleme etkisi yoluyla kara deliği daha da büyütür. Araştırmacılar, daha uzaktaki kara deliğin ‘gölgesine’ karşılık gelen parlaklıkta kısa bir düşüş keşfettiler ve bu da izleyicinin kara deliğin boyutunu ölçmesine izin verdi. Kredi bilgileri: Nicoletta Baroloini

Kara delik gölgeleri, evrenimizin temel kuvvetlerinden biri olan yerçekiminin gerçek doğasının sırrını da saklıyor olabilir. Einstein’ın genel görelilik olarak bilinen yerçekimi teorisi, kara deliklerin boyutunu tahmin ediyor. Bu nedenle fizikçiler, doğanın nasıl çalıştığına dair iki rakip fikri uzlaştırma çabasıyla alternatif yerçekimi teorilerini test etmek için onları aradılar: Einstein’ın yörüngedeki gezegenler ve genişleyen evren gibi büyük ölçekli fenomenleri açıklayan genel görelilik ve kuantum fiziği. elektronlar ve fotonlar gibi küçük parçacıkların aynı anda birden fazla durumu işgal edebilmesi.

Araştırmacılar, daha sonra süper kütleli karadeliklerin alevlenmesiyle ilgilenmeye başladılar. lekelenme erken evrende çok uzak bir galaksinin merkezinde olduğundan şüphelenilen bir çift süper kütleli kara delik. NASAGezegen avcısı Kepler uzay teleskobu, ev sahibi yıldızının önünden geçen bir gezegene karşılık gelen parlaklıktaki küçük düşüşleri tarıyordu. Bunun yerine, Kepler, Haiman ve meslektaşlarının bir çift birleşen kara delik olduğunu iddia ettikleri parlamaları tespit etti.

Uzak galaksiye, mercek etkisi yoluyla her tam dönüşte birbirini büyüten şüpheli kara deliklerin tetiklediği parlaklık artışları için “Spikey” adını verdiler. Parlama hakkında daha fazla bilgi edinmek için Haiman, doktora sonrası Davelaar ile bir model oluşturdu.

Bununla birlikte, simüle edilmiş kara delik çiftleri, biri diğerinin önünde yörüngede döndüğü her seferinde beklenmedik, ancak periyodik bir parlaklık düşüşü ürettiğinde kafaları karıştı. İlk başta, bunun bir kodlama hatası olduğunu düşündüler. Ancak daha fazla kontrol, sinyale güvenmelerini sağladı.

Bunu açıklamak için fiziksel bir mekanizma ararken, parlaklıktaki her düşüşün, izleyiciye en yakın kara deliğin arkadaki kara deliğin gölgesinin önünden geçmesi için geçen süreyle yakından eşleştiğini fark ettiler.

Araştırmacılar şu anda Spikey’nin aslında bir çift birleşen kara deliği barındırdığını doğrulamak için Kepler verilerinde gördükleri düşüşü doğrulamak için başka teleskop verilerini arıyorlar. Her şey yolunda giderse, teknik, şimdiye kadar tespit edilen ve onay bekleyen 150 civarında süper kütleli karadeliğin birleştiğinden şüphelenilen bir avuç diğer çifte uygulanabilir.

Önümüzdeki yıllarda daha güçlü teleskoplar çevrimiçi hale geldikçe, başka fırsatlar da ortaya çıkabilir. Bu yıl açılması planlanan Vera Rubin Gözlemevi, 100 milyondan fazla süper kütleli karadeliğe bakıyor. NASA’nın yerçekimi dalgası dedektörü LISA, 2030’da uzaya fırlatıldığında, daha fazla kara delik keşfi mümkün olacak.

Davelaar, “Bu kara delik ikili dosyalarının yalnızca küçük bir kısmı, önerilen etkimizi ölçmek için doğru koşullara sahip olsa bile, bu kara delik düşüşlerinin çoğunu bulabiliriz.” Dedi.

Referanslar:

Jordy Davelaar ve Zoltán Haiman, 9 Mayıs 2022, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

Jordy Davelaar ve Zoltán Haiman, 9 Mayıs 2022, Fiziksel İnceleme D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010