In einem Paar verschmelzender supermassiver Schwarzer Löcher eine neue Methode zur Messung der Leere

Vor drei Jahren versetzte das allererste Bild eines Schwarzen Lochs die Welt in Erstaunen. Eine schwarze Grube des Nichts, eingeschlossen von einem feurigen Lichtring. Dieses ikonische Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87 wurde dank des Event Horizon Telescope, einem globalen Netzwerk synchronisierter Radioschüsseln, die wie ein riesiges Teleskop fungieren, in den Fokus gerückt.

Jetzt haben zwei Forscher aus Columbia eine potenziell einfachere Möglichkeit entwickelt, in den Abgrund zu blicken. Umrissen in ergänzenden Studien in Briefe zur körperlichen Überprüfung und Körperliche Überprüfung Dkönnte ihre Bildgebungstechnik es Astronomen ermöglichen, Schwarze Löcher zu untersuchen, die kleiner als M87 sind, ein Monster mit einer Masse von 6,5 Milliarden Sonnen, das in Galaxien beherbergt ist, die weiter entfernt sind als M87, die mit 55 Millionen Lichtjahren immer noch relativ nahe an unserer eigenen Milch ist Weg.

Die Technik hat nur zwei Anforderungen. Zuerst brauchen Sie ein Paar supermassiver Schwarzer Löcher, die gerade dabei sind, zu verschmelzen. Zweitens müssen Sie das Paar in einem fast seitlichen Winkel betrachten. Wenn ein Schwarzes Loch vor dem anderen vorbeizieht, sollten Sie von diesem seitlichen Standpunkt aus einen hellen Lichtblitz sehen können, da der leuchtende Ring des weiter entfernten Schwarzen Lochs durch das Schwarze Loch, das Ihnen am nächsten ist, vergrößert wird, ein Phänomen bekannt als Gravitationslinseneffekt.

Der Linseneffekt ist allgemein bekannt, aber was die Forscher hier entdeckten, war ein verstecktes Signal: ein markanter Helligkeitsabfall, der dem „Schatten“ des Schwarzen Lochs im Hintergrund entspricht. Diese subtile Verdunkelung kann von einigen Stunden bis zu einigen Tagen dauern, je nachdem, wie massiv die Schwarzen Löcher sind und wie eng ihre Umlaufbahnen verflochten sind. Wenn Sie messen, wie lange der Einbruch dauert, sagen die Forscher, können Sie die Größe und Form des Schattens abschätzen, der vom Ereignishorizont des Schwarzen Lochs geworfen wird, dem Punkt ohne Austritt, an dem nichts entweicht, nicht einmal Licht.

„Es hat Jahre und massive Anstrengungen von Dutzenden von Wissenschaftlern gedauert, um dieses hochauflösende Bild der Schwarzen Löcher M87 zu machen“, sagte der Erstautor der Studie, Jordy Davelaar, Postdoc am Columbia und dem Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute. „Dieser Ansatz funktioniert nur für die größten und nächsten Schwarzen Löcher – das Paar im Herzen von M87 und möglicherweise unsere eigene Milchstraße.“

Er fügte hinzu: „Mit unserer Technik misst man die Helligkeit der Schwarzen Löcher über die Zeit, man muss nicht jedes Objekt räumlich auflösen. Es sollte möglich sein, dieses Signal in vielen Galaxien zu finden.“

Der Schatten eines Schwarzen Lochs ist sein geheimnisvollstes und informativstes Merkmal. „Dieser dunkle Fleck sagt uns etwas über die Größe des Schwarzen Lochs, die Form der Raumzeit um ihn herum und wie Materie in das Schwarze Loch nahe seinem Horizont fällt“, sagte Co-Autor Zoltan Haiman, Physikprofessor an der Columbia University.

Schatten von Schwarzen Löchern könnten auch das Geheimnis der wahren Natur der Schwerkraft enthalten, einer der fundamentalen Kräfte unseres Universums. Einsteins Gravitationstheorie, bekannt als Allgemeine Relativitätstheorie, sagt die Größe von Schwarzen Löchern voraus. Physiker haben sie daher aufgesucht, um alternative Gravitationstheorien zu testen, um zwei konkurrierende Ideen darüber, wie die Natur funktioniert, in Einklang zu bringen: Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die großräumige Phänomene wie umlaufende Planeten und das expandierende Universum erklärt, und Quantenphysik, die erklärt wie winzige Teilchen wie Elektronen und Photonen mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können.

Die Forscher interessierten sich für aufflackernde supermassereiche Schwarze Löcher, nachdem sie ein mutmaßliches Paar supermassereicher Schwarzer Löcher im Zentrum einer weit entfernten Galaxie im frühen Universum entdeckt hatten. Das planetenjagende Kepler-Weltraumteleskop der NASA suchte nach den winzigen Helligkeitseinbrüchen, die einem Planeten entsprachen, der vor seinem Wirtsstern vorbeizieht. Stattdessen entdeckte Kepler schließlich die Fackeln dessen, was Haiman und seine Kollegen für ein Paar verschmelzender Schwarzer Löcher halten.

Sie nannten die ferne Galaxie „Spikey“ wegen der Helligkeitsspitzen, die durch ihre mutmaßlichen schwarzen Löcher ausgelöst werden und sich bei jeder vollen Umdrehung durch den Linseneffekt gegenseitig vergrößern. Um mehr über die Fackel zu erfahren, baute Haiman mit seinem Postdoc Davelaar ein Modell.

Sie waren jedoch verwirrt, als ihr simuliertes Paar schwarzer Löcher jedes Mal, wenn eines vor dem anderen umkreiste, einen unerwarteten, aber periodischen Helligkeitsabfall erzeugte. Zuerst dachten sie, es sei ein Codierungsfehler. Aber weitere Überprüfungen führten dazu, dass sie dem Signal vertrauten.

Als sie nach einem physikalischen Mechanismus suchten, um dies zu erklären, stellten sie fest, dass jeder Helligkeitsabfall genau der Zeit entsprach, die es dauerte, bis das Schwarze Loch, das dem Betrachter am nächsten war, vor dem Schatten des Schwarzen Lochs im Hintergrund vorbeikam.

Die Forscher suchen derzeit nach anderen Teleskopdaten, um zu versuchen, den Einbruch zu bestätigen, den sie in den Kepler-Daten gesehen haben, um zu bestätigen, dass Spikey tatsächlich ein Paar verschmelzender Schwarzer Löcher beherbergt. Wenn alles klappt, könnte die Technik auf eine Handvoll anderer mutmaßlicher Paare von verschmelzenden supermassiven Schwarzen Löchern unter den etwa 150 angewendet werden, die bisher entdeckt wurden und auf eine Bestätigung warten.

Wenn in den kommenden Jahren leistungsstärkere Teleskope online gehen, können sich andere Möglichkeiten ergeben. Das Vera-Rubin-Observatorium, das dieses Jahr eröffnet werden soll, hat mehr als 100 Millionen supermassereiche Schwarze Löcher im Visier. Weitere Erkundungen von Schwarzen Löchern werden möglich sein, wenn der Gravitationswellendetektor der NASA, LISA, im Jahr 2030 ins All geschossen wird.

„Selbst wenn nur ein winziger Bruchteil dieser Schwarzloch-Binärdateien die richtigen Bedingungen hat, um unseren vorgeschlagenen Effekt zu messen, könnten wir viele dieser Einbrüche von Schwarzen Löchern finden“, sagte Davelaar.