Skalierte „Schatten“ zweier supermassiver Schwarzer Löcher im Prozess der Kollision

Im Prozess der Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher eine neue Methode zur Messung des Vakuums

Wissenschaftler haben einen Weg entdeckt, die „Schatten“ zweier supermassereicher Schwarzer Löcher im Prozess der Kollision zu quantifizieren, was Astronomen ein potenzielles neues Werkzeug zur Messung von Schwarzen Löchern in entfernten Galaxien und zum Testen alternativer Gravitationstheorien an die Hand gibt.

Vor drei Jahren war die Welt fassungslos über das erste Bild eines Schwarzen Lochs. Ein schwarzes Loch aus dem Nichts, umgeben von einem Ring aus feurigem Licht. Dieses ikonische Bild von[{“ 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.

Simulation von Gravitationslinsen in einem Paar supermassereicher kompakter Schwarzer Löcher. Bildnachweis: Jordi Devalar

Diese Technik hat nur zwei Anforderungen. Zuerst brauchen Sie ein Paar supermassiver Schwarzer Löcher inmitten einer Verschmelzung. Zweitens sollten Sie das Paar ungefähr in einem Seitenwinkel betrachten. Wenn aus dieser Seitenansicht ein Schwarzes Loch vor dem anderen vorbeizieht, sollten Sie in der Lage sein, einen hellen Lichtblitz zu sehen, wenn der leuchtende Ring des Schwarzen Lochs durch das Schwarze Loch, das Ihnen am nächsten ist, vergrößert wird, ein Phänomen, das als bekannt ist Gravitationslinsen.

Die Wirkung der Linse ist bekannt, aber was die Forscher hier entdeckten, war ein subtiles Signal: ein charakteristischer Helligkeitsabfall, der dem „Schatten“ des Schwarzen Lochs im Hintergrund entspricht. Diese subtile Verdunkelung kann einige Stunden bis einige Tage dauern, abhängig von der Größe der Schwarzen Löcher und der Verschränkung ihrer Umlaufbahnen. Wenn Sie messen, wie lange der Tropfen dauert, sagen die Forscher, können Sie die Größe und Form des Schattens abschätzen, der vom Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs erzeugt wird, dem Punkt ohne Austritt, an dem nichts entweicht, nicht einmal Licht.

In dieser Simulation eines Paares von supermassiven verschmolzenen Schwarzen Löchern kommt das Schwarze Loch, das dem Betrachter am nächsten ist, näher und erscheint daher blau (Kasten 1), wodurch das rotverschobene Schwarze Loch dahinter durch eine Gravitationslinse aufgeblasen wird. Während das nächste Schwarze Loch das Licht des weiter entfernten Schwarzen Lochs verstärkt (Kasten 2), sieht der Betrachter einen hellen Lichtblitz. Aber wenn das nächste Schwarze Loch vor einem Abgrund oder dem Schatten des entferntesten Schwarzen Lochs vorbeizieht, sieht der Betrachter eine leichte Abnahme der Helligkeit (Kasten 3). Diese Helligkeitsabnahme (3) ist in den Lichtkurvendaten unterhalb der Bilder deutlich sichtbar. Bildnachweis: Jordi Devalar

„Es hat Jahre und enorme Anstrengungen von Dutzenden von Wissenschaftlern gekostet, dieses hochauflösende Bild von M87-Schwarzen Löchern zu machen“, sagte der Erstautor der Studie, Jordi Davilar, Postdoc an der Columbia und dem Flatiron Center for Computational Astrophysics. „Dieser Ansatz funktioniert nur mit den größten und nächstgelegenen Schwarzen Löchern – dem Paar im Kern von M87 und möglicherweise unserer Milchstraße.“

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

Der Schatten des Schwarzen Lochs ist sein geheimnisvollstes und lehrreichstes Merkmal. „Dieser dunkle Fleck verrät uns etwas über die Größe des Schwarzen Lochs, die Form der Raumzeit um ihn herum und wie Materie in das Schwarze Loch in der Nähe seines Horizonts fällt“, sagte Co-Autor Zoltan Haiman, Professor für Physik an der Columbia University.

Wenn die Verschmelzung eines supermassereichen Schwarzen Lochs von der Seite beobachtet wird, vergrößert das dem Betrachter am nächsten liegende Schwarze Loch das weiter entfernte Schwarze Loch durch die Wirkung einer Gravitationslinse. Die Forscher entdeckten einen kurzen Helligkeitsabfall, der dem „Schatten“ des fernen Schwarzen Lochs entsprach, sodass der Betrachter seine Größe abschätzen konnte. Bildnachweis: Nicoletta Barolwini

Die Schatten eines Schwarzen Lochs können das Geheimnis der wahren Natur der Schwerkraft verbergen, einer der grundlegenden Kräfte unseres Universums. Einsteins Gravitationstheorie, bekannt als Allgemeine Relativitätstheorie, sagt die Größe von Schwarzen Löchern voraus. Daher haben Physiker sie gesucht, 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 Planetenrotation und ein expandierendes Universum erklärt, und Quantenphysik, die erklärt, wie kleine Teilchen wie Elektronen und Photonen gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen.

Als nächstes interessierten sich die Forscher für die Zündung supermassiver Schwarzer Löcher Vorarbeiter Ein mutmaßliches Paar supermassiver Schwarzer Löcher im Zentrum einer entfernten Galaxie im frühen Universum.[{“ 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