Знаменитая тень черной дыры – тест для новых теорий гравитации

Знаменитая тень черной дыры - новый тест для новых теорий гравитации

Астрофизики изобрели способ использовать тень сверхмассивной черной дыры, чтобы проверить новые теории гравитации.

Перехитрить Альберта Эйнштейна становилось все труднее. Более 100 лет назад известный физик опубликовал свое объяснение гравитации, известное как общая теория относительности, которая успешно объясняет все – от орбит планет до кривизны света от звёзд. Тем не менее, некоторые физики пытались продвигать альтернативные теории, которые могут решить головоломки, которые общая теория не может – например, объяснить необходимость невидимой темной материи, силы которая как кажется, связывает галактики вместе. Но первое прямое изображение черной дыры, обнаруженное в прошлом году, теперь является новым жестким испытанием для теорий гравитации.

“Это новый обруч для прыжков, и он довольно узкий”, – говорит Фериал Озел, астрофизик из Университета Аризоны, который помог разработать новый тест.

В 1915 году Эйнштейн предположил, что гравитация возникает из-за того, что массивные тела, такие как земля, деформируют пространство и время или пространство-время. Это искривленное пространство-время заставляет траекторию свободно падающего объекта искривляться, что приводит к параболической дуге пушечного ядра на Земле или эллиптической орбите Луны. В 1930-х годах ученые открыли один удивительный смысл общей теории относительности: если достаточно массивная звезда сгорает, ее ядро может сжаться до бесконечно малой точки, не оставив после себя ничего, кроме самоподдерживающегося сверхсильного гравитационного поля – черной дыры, так называемой потому, что на определенном расстоянии от такого объекта, даже свет не может вырваться наружу.

Только в прошлом году люди впервые увидели черную дыру непосредственно. Эта звезда была создана не единственной коллапсирующей звездой, а предположительно образовалась в результате слияния нескольких черных дыр. Она прячется в самом сердце галактики на расстоянии 53 миллионов световых лет от нас и весит в 65 миллиардов раз больше солнца. Чтобы изучить этот объект, команда из более чем 180 астрономов и астрофизиков координировала радиотелескопы по всему миру, чтобы функционировать как один большой телескоп в проекте, известном как Телескоп горизонта событий (Event Horizon).

Смоделированное цветное изображение выглядит так, как и должно: огненное кольцо, окружающее черную точку. Свечение исходит от горячего газа, который вращается вокруг черной дыры, и точка в центре – это “тень”, отбрасываемая черной дырой, когда она ловит любой свет, который подходит слишком близко перед ней. Ученые использовали общую теорию относительности для расчета того, насколько большой должна быть эта тень, которая усиливается гравитацией черной дыры, и обнаружили, что их результаты согласуются с наблюдениями.

Но они не могли использовать изображение для проверки других теорий гравитации, объясняет Озел, потому что у них не было простого способа выяснить, насколько большой должна быть тень, если альтернативная теория гравитации работает. Теперь Озел и его коллеги разработали довольно простой способ сделать этот расчет, о котором они сообщают на этой неделе в статье Physical Review. Это немалый подвиг, поскольку, в принципе, существует почти бесчисленное множество способов изменить или расширить теорию Эйнштейна – скажем, точно изменив, как материя и энергия деформируют пространство-время. Однако при использовании для описания черной дыры каждая теория должна в конечном счете дать метрику – математическое выражение, которое кодирует форму искривленного пространства-времени вокруг черной дыры.

Эта метрика может быть грубо записана как сумма все более мелких математических терминов. Первый член хорошо известен и предсказывает общую теорию относительности. Эксперименты в нашей Солнечной системе показали, что следующий термин – технически известный как первая “пост-ньютоновская” поправка – очень близок к нулю. Озель и его коллеги показали, что если они правильно сделают расчёты для черной дыры, то размер тени будет определяться следующей постньютоновской поправкой. Таким образом, чтобы проверить новую теорию гравитации, теоретикам нужно только вычислить значение, которое она предсказывает для этого второго постньютоновского параметра, говорит Озель. Если значение находится вне определенного диапазона, что противоречит измеренному размеру тени, то теория опровергается. Используя тень черной дыры, команда сузила возможный диапазон для параметра в 500 раз.

“Удивительно, что размер тени контролируется одним параметром”, – говорит Илья Мандель, астрофизик-теоретик из Университета Монаша в Клейтоне. “Я бы подумал, что существует некая комбинация из 23 параметров, которые определяют размер тени, и что было бы невероятно трудно разделить их”, – говорит он.

Но полезность теста может быть ограничена, говорит Эмануэль Берти, теоретик гравитации из Университета Джона Хопкинса, потому что теоретики не имеют много жизнеспособных альтернатив общей теории относительности. “Очень трудно придумать альтернативу, которая достаточно отличается от общей теории относительности, чтобы ее можно было проверить, но в то же время совместима с миллионом вещей, которые мы уже знаем о гравитации”, – говорит он.

Исследователи говорят, что будет более перспективным сравнить измерение этого конкретного параметра с измерениями, которые могут быть получены из другого нового источника информации о гравитации: слияния меньших черных дыр, видимых через рябь в пространстве-времени или гравитационные волны. “Каждый, кто делает гравитационный тест, пытается выразить его на одном языке (пост-Ньютоновские параметры, чтобы мы могли сделать это сравнение”, – говорит Лея Медейрос, астрофизик из Института перспективных исследований и автор статьи. Если эти меры различны, то общая теория относительности не может быть последним словом в гравитации.

Читайте также: