Как Вселената се отразява многократно в близост до черни дупки

В близост до черна дупка пространството е толкова изкривено, че светлинните лъчи могат да обиколят около нея няколко пъти. Това явление може да ни позволи да видим множество версии на едно и също нещо.

Въпреки че е известно от десетилетия, едва сега е публикуван точен математически израз на явлението, благодарение на Алберт Снепен (Albert Sneppen), студент в Института "Нилс Бор". Резултатът, наскоро публикуван в списание Scientific Reports, описва и реалните, въртящи се черни дупки.

Представете си галактика, отразяваща се в стая с покрити с огледала стени. Ще видите галактиката, повтаряща се отново и отново, като всяко изображение става все по-гротескно и изкривено. Така изглежда Вселената близо до хоризонта на събитията на черна дупка, едно от най-изкривените места в космоса.

Ново изчисление показа точно какво бихме видели около черните дупки, отваряйки потенциални нови начини за тестване на Общата теория на относителността на Айнщайн.

Галактика в множество версии

Районът близо до черна дупка наистина е много странен. Ако погледнем директно към масивния обект, няма да видим много - светлинните лъчи се поглъщат от хоризонта на събитията на черната дупка, границата, в която нищо никога не може да избегне нейното огромно гравитационно влияние.

Но ако има галактика зад черната дупка и погледнем към нея, ще видим изкривено изображение на галактиката. Това е така, защото някакво малко количетво светлина от галактиката ще премине по краищата на черната дупка, без да попадне в нея.

Поради екстремната гравитация на черната дупка, тази светлина ще се огъне към зрителната ни линия. Странното е, че галактиката ще изглежда далеч от черната дупка, а не точно зад нея.

Гравитацията около черните дупки е толкова интензивна, а пространство-времето е толкова невероятно изкривено, че ако източникът на светлина е на определено разстояние, самата светлина може да обиколи около черните дупки. Част от светлината от фоновата галактика дори остава в капан, обикаляйки черната дупка завинаги.

Светлината обаче трябва да бъде на точното разстояние от черната дупка, за да се заключи в орбитален капан. Тя може също да попадне под ъгъл на черната дупка, който й позволява да направи една (или много) обиколки, преди да успее да избяга.

^{Светлината от галактики на фона на черна дупка обикаля гравитационното чудовище, създавайки безкрайни "огледални" изображения. Кредит: Peter Laursen}

Механизмът е показан на фигурата: Далечна галактика свети във всички посоки - част от нейната светлина се доближава до черната дупка и е леко отклонена - малко светлина се приближава още повече и обикаля дупката един път, преди да избяга към нас и т.н. Поглеждайки близо до черната дупка, виждаме все повече версии на същата галактика, колкото по-близо до ръба на дупката преминава светлината.

Колко по-близо до черната дупка трябва да се погледне от едно изображение, за да се види следващото изображение? Резултатът е известен повече от 40 години и е около 500 пъти (по-точно „експоненциалната функция на две пи“ или e^2π, където e е основата на естествения логаритъм).

Изчисляването на това е много сложно и досега се е правело по математическа и физическа интуиция, но с помощта на някои хитри математически трикове студентът Алберт Снепен от Cosmic Dawn Center - основен изследователски център както на Института "Нилс Бор", така и на Националния космически институт към Техническия университет на Дания - сега успя да докаже защо.

„Има нещо фантастично красиво в разбирането защо изображенията се повтарят по толкова елегантен начин. На всичкото отгоре то предоставя нови възможности да проверим нашето разбиране за гравитацията и черните дупки“, пояснява Алберт Снепен.

Доказването на нещо математически не само удовлетворително само по себе си - наистина, това ни доближава до разбирането на това прекрасно явление. Коефициентът "500" следва директно от това, как работят черните дупки и гравитацията, така че повторенията на изображенията вече се превръщат в начин за изследване и тестване на гравитацията.

Въртящите се черни дупки

Методът на Снепен е обобщен и може да се прилага не само за „тривиални“ черни дупки, но и за черни дупки, които се въртят. Каквито са всъщност всички.

^{Ситуацията се вижда „в анфас“, т.е. как всъщност ще я наблюдаваме от Земята. Допълнителните изображения на галактиката стават все по-стеснени и изкривени, колкото по-близо се вглеждаме в черната дупка. Кредит: Peter Laursen}

"Оказва се, че когато черната дупка се върти бързо, вече не е нужно да се приближаваме до нея с коефициент 500, а значително по-малко. Всъщност всяко изображение вече е само 50 или 5 или дори само до 2 пъти по-близо до ръба на черната дупка “, обяснява Алберт Снепен.

Ако трябва всяко ново изображение да се вижда 500 пъти по-близо до черната дупка, това означава, че изображенията много бързо ще се "стесняват" в пръстеновидно изображение, както се вижда на фигурата горе. На практика множеството изображения ще бъдат трудни за наблюдение. Но когато черните дупки се въртят, има повече място за "допълнителните" изображения, така че можем да се надяваме да се потвърди теорията наблюдателно в не много далечно бъдеще. По този начин може да се изследват не само черните дупки, но и галактиките зад тях.

Времето за пътуването на светлината се увеличава, колкото повече пъти трябва да обикаля черната дупка, така че изображенията стават все по-„забавени“. Тъй като въртенето на черната дупка усуква пространство-времето около нея, всяко следващо изображение на фоновия обект изглежда по-плоско. По този начин, най-отдалеченото изображение ще изглежда сравнително неизкривено, докато най-близкото изображение може да бъде напълно неразпознаваемо.

В огледалната къща

Технически има безкраен брой повтарящи се изображения на фоновите обекти, всеки по-близо до хоризонта на събитията. На практика хората може никога да не ги видят, защото само няколко биха били различими, дори и с най-мощните телескопи.

Но тези няколко биха предоставили мощна перспектива в сърцето на Общата теория на относителността, математическата теория, която описва гравитацията.

През 2019 г. виртуалния радиотелескоп Event Horizon Telescope, мрежа от радиочинии, обхващащи целия свят, генерира първото изображение на „сянката“ на черна дупка, хвърлена върху околните газове и прах. Този телескоп не бе достатъчно мощен, за да заснеме множеството огледални изображения на фонови обекти, но бъдещите телескопи биха могли.

Сравняването на това как обектите от реалния свят се различават от това, което очакваме от изчисления като тези на Снепен, би осигурило безпрецедентен тест за Общата теория на относителността. Ако например имаше свръхнова - свръхмощна експлозия на умираща звезда - зад черната дупка, щяхме да видим, че свръхнова избухва няколко пъти. Всяко изображение ще се забави с определена степен, в зависимост от това колко пъти е обикаляло черната дупка, което позволява на изследователите да сравняват своите теории с реалността.

Просто трябва да сме готови да се взираме в празнотата достатъчно дълго.

Справка: Snepppen, A. Divergent reflections around the photon sphere of a black hole. Sci Rep 11, 14247 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-93595-w

Изтоници:

Black holes warp the universe into a grotesque hall of mirrors, Paul Sutter - Astrophysicist, Live Science

Danish Student solves how the Universe is reflected near black holes, Niels Bohr Institute

Още по темата

05/07/2021

Физика

Законът за площта на черните дупки на Стивън Хокинг е потвърден наблюдателно

29/06/2021

Физика

Хвърлете аксионна бомба в черна дупка и законът за запазване на заряда ще бъде нарушен

25/06/2021

Космос

Свръхнова, видяна три пъти през 2016 г., ще се покаже и през 2037 г.. Възможно ли е това?

07/06/2021

Космос

Можем ли да видим фотонния пръстен на хоризонта на събитията на черна дупка?