Как Вселенная отражается возле черных дыр — теперь объяснен феномен

Это явление может позволить нам увидеть несколько версий одного и того же. Хотя это было известно на протяжении десятилетий, только теперь у нас есть точное математическое выражение, благодаря Альберту Снеппену, студенту Института Нильса Бора.

Диск светящегося газа закручивается в черную дыру «Гаргантюа» из фильма «Интерстеллар». Поскольку пространство изгибается вокруг черной дыры, можно осмотреть ее дальнюю сторону и увидеть часть газового диска, которая в противном случае была бы скрыта дырой. Наше понимание этого механизма было улучшено датским студентом NBI Альбертом Снеппеном (источник: interstellar. Wiki / CC BY-NC License).

Вы, наверное, слышали о черных дырах — чудесных глыбах гравитации, из которых не может вырваться даже свет. Возможно, вы слышали, что само пространство и даже время странно ведут себя около черных дыр; пространство искривленный.

Вблизи черной дыры пространство искривляется так сильно, что световые лучи отклоняются, а очень близкий свет может отклоняться так сильно, что несколько раз проходит вокруг черной дыры. Следовательно, когда мы наблюдаем далекую фоновую галактику (или какое-либо другое небесное тело), ​​нам может повезти увидеть одно и то же изображение галактики несколько раз, хотя и все более и более искаженное.

Механизм показан на рисунке ниже: далекая галактика светит во всех направлениях — часть ее света приближается к черной дыре и слегка отклоняется; какой-то свет подходит еще ближе и за один раз огибает дыру, прежде чем уйти к нам, и так далее. Глядя рядом с черной дырой, мы видим все больше и больше версий одной и той же галактики, чем ближе к краю дыры, которую мы ищем.

Свет от фоновой галактики оборачивается вокруг черной дыры все большее количество раз, чем ближе он проходит через дыру, и, следовательно, мы видим одну и ту же галактику в нескольких направлениях. Предоставлено: Питер Лаурсен.

Насколько близко к черной дыре нужно смотреть с одного изображения, чтобы увидеть следующее? Результат известен уже более 40 лет, и он составляет около 500 раз (для любителей математики это точнее «экспоненциальная функция двух пи«, Написано е^2Пи).

Вычислить это настолько сложно, что до недавнего времени у нас еще не было математической и физической интуиции относительно того, почему это именно такой фактор. Но с помощью некоторых умных математических уловок магистрант Альберт Снеппен из Cosmic Dawn Center — центра фундаментальных исследований при Институте Нильса Бора и DTU Space — теперь сумел доказать, почему.

«Есть что-то фантастически красивое в понимании того, почему изображения повторяются таким элегантным образом. Кроме того, это дает новые возможности проверить наше понимание гравитации и черных дыр », — говорит Альберт Снеппен в своей книге.

Доказательство чего-либо математически не только само по себе; действительно, это приближает нас к пониманию этого чудесного явления. Фактор «500» непосредственно следует из того, как работают черные дыры и гравитация, поэтому повторение изображений теперь становится способом исследовать и проверять гравитацию.

В качестве совершенно новой функции метод Снеппена также можно обобщить для применения не только к «тривиальным» черным дырам, но и к черным дырам, которые вращать. Что, собственно говоря, все они и делают.

«Оказывается, когда он вращается очень быстро, вам больше не нужно приближаться к черной дыре в 500 раз, а значительно меньше. Фактически, каждое изображение теперь всего на 50, или 5, или даже всего в 2 раза ближе к краю черной дыры.«, — объясняет Альберт Снеппен.

Необходимость смотреть в 500 раз ближе к черной дыре для каждого нового изображения означает, что изображения быстро «сжимаются» в одно кольцевое изображение, как показано на рисунке справа. На практике наблюдать за множеством изображений будет сложно. Но когда черные дыры вращаются, появляется больше места для «лишних» изображений, поэтому мы можем надеяться подтвердить теорию наблюдениями в не столь отдаленном будущем. Таким образом, мы можем узнать не только о черных дырах, но и о галактиках, стоящих за ними:

Время прохождения света увеличивается, чем больше раз ему приходится обходить черную дыру, поэтому изображения становятся все более «запаздывающими». Если, например, звезда взорвется как сверхновая в галактике на заднем плане, можно будет видеть этот взрыв снова и снова.