Medición de «sombras» de dos agujeros supermasivos durante la colisión

En esta simulación de fusión S supermasivo, la cavidad S desplazada en azul más cercana al espectador amplifica la cavidad S desplazada en rojo usando una lente gravitacional. Los investigadores encontraron una clara caída en el brillo cuando la cavidad más cercana pasaba frente a una sombra similar, una vista que podría usarse tanto para medir el tamaño de las cavidades como para probar teorías alternativas de la gravedad. Cedido: Jordi Davelar

Un nuevo método para medir el vacío en un par de cavidades supermasivas

Los científicos han descubierto una forma de medir las «sombras» de dos cavidades supermasivas durante las colisiones, brindando a los astrónomos una herramienta potencialmente nueva para teorías alternativas de la gravedad para medir cavidades en galaxias distantes.

Hace tres años, el mundo quedó atónito con la primera imagen de este hueco. Un agujero de la nada rodeado por un ardiente anillo de luz. Esa imagen simbólica[{» 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.

https://www.youtube.com/watch?v=gKbuhXRitMs:
Modelado de una lente gravitatoria en un par acoplado de cavidades supermasivas. Crédito: Jordi D’Alaar

El equipo tiene sólo dos requisitos. Primero, necesita un par de agujeros masivos al fusionarse. En segundo lugar, debe mirar a la pareja casi de lado a lado. Desde esta vista lateral, cuando un agujero pasa por delante del otro, deberías poder ver un resplandor de luz brillante, ya que el anillo más brillante del hueco más lejano crece desde el agujero más cercano a ti, un fantasma. que se conoce como lente gravitacional.

El efecto de las lentes es bien conocido, pero lo que los investigadores encontraron aquí fue una señal oculta. una clara disminución del brillo, que corresponde a la «sombra» del agujero trasero. Este eclipse sutil puede durar desde unas pocas horas hasta varios días, dependiendo de cuán masivas sean las cavidades y cuán estrechamente conectadas estén sus órbitas. Si mides cuánto dura el buceo, dicen los investigadores, puedes estimar el tamaño de la sombra y el huevo que arroja el horizonte de sucesos en la cavidad, sin un punto de salida por el que no se escape nada, ni siquiera la luz.

En esta simulación de la fusión supermasiva de la cavidad S, la cavidad S más cercana al espectador se acerca y aparece azul (toma 1), lo que refuerza la cavidad trasera del lado rojo detrás de la lente gravitacional. A medida que el agujero más cercano intensifica la luz del agujero más lejano (toma 2), el espectador ve un resplandor de luz brillante. Pero cuando el hueco más cercano pasa frente al hueco más lejano o la sombra del hueco, el espectador ve una ligera disminución en el brillo (toma 3). Esta disminución del brillo (3) se refleja claramente en los datos de la curva de luz debajo de las imágenes. Crédito: Jordi D’Alaar

«Se necesitaron años de decenas de miles de científicos para crear la imagen de alta resolución de las cavidades de M87», dijo Jordi Davelaar, PhD, autor principal del estudio en el Instituto Flatiron en Colombia. «Este enfoque solo funciona para los agujeros más grandes y cercanos, el par en el corazón de M87, potencialmente para nuestra propia Vía Láctea».

agregó. “Con nuestro equipo mides el brillo de estos agujeros a lo largo del tiempo, no necesitas resolver cada objeto espacialmente. Debería ser posible encontrar esta señal en muchas galaxias».

La sombra de esta cavidad es la característica de información «más misteriosa». «Esta mancha oscura nos informa sobre el tamaño de la cavidad, el equilibrio del espacio-tiempo a su alrededor, cómo cae la materia en el hueco cerca del horizonte», dijo el profesor de física de Coltan, Zoltan Hayman.

Al observar la fusión de la cavidad S supermasivo desde un lado, la cavidad S más cercana al espectador magnifica la cavidad S más lejana a través del efecto de lente gravitacional. Los investigadores encontraron una ligera caída en el brillo que correspondía a la «sombra» del hueco más alejado, lo que permitió al espectador medir su tamaño. Préstamo de Nicoletta Barolo

Las sombras del CC pueden contener el secreto de la verdadera naturaleza de la gravedad, una de las fuerzas fundamentales de nuestro universo. La teoría de la gravitación de Einstein, conocida como teoría general de la relatividad, predice el tamaño de los agujeros. Los físicos, por lo tanto, los buscaron para probar teorías alternativas de la gravedad, tratando de reconciliar dos ideas contrapuestas sobre cómo funciona la naturaleza. ya que las partículas pequeñas, como los electrones և fotones, pueden ocupar varios estados a la vez.

Los investigadores se interesaron en el brote de caries masiva abigarramiento Sospechoso par de cavidades supermasivas en el centro de una lejana galaxia temprana.[{» attribute=»»>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010