Черные дыры превращают Вселенную в зал кривых зеркал

Представьте себе галактику, отраженную в зеркальном зале. Вы бы видели галактику, повторяющуюся снова и снова, и каждое изображение становилось все более гротескным и искаженным. Так выглядит Вселенная возле горизонта событий черной дыры, одного из самых искривленных мест в космосе.

В то время как физики были некоторые прежние представления о том, что такие регионы выглядели как новый расчет показал, что именно вы бы видели вокруг черных дыр, открывая новые потенциальные способы испытания Общей теории относительности Эйнштейна.

Область возле черной дыры действительно очень странная. Глядя прямо на тяжелый объект, вы не сможете сосредоточиться на чем-либо; световые лучи поглощаются горизонтом событий черной дыры - точкой, в которой ничто не может избежать ее массивного гравитационного воздействия.

Но если вы поместите галактику за черной дырой, а затем посмотрите в сторону, вы увидите искаженное изображение галактики. Это потому, что свет от галактики едва коснется краев черной дыры, но не попадет внутрь.

Из-за чрезвычайной гравитации черной дыры такой свет будет отклоняться в сторону вашего взгляда. Как ни странно, кажется, что галактика находится далеко от черной дыры, а не прямо за ней.

Гравитация вокруг черных дыр настолько сильна, а пространство-время настолько искажено, что на определенном расстоянии сам свет может вращаться вокруг черных дыр. Часть света от фоновой галактики даже попадает в ловушку, вечно зацикливаясь.

Однако свету нужно будет пройти на правильном расстоянии от черной дыры, чтобы попасть в ловушку на орбите. Он также может попасть в черную дыру под углом, который позволяет ему сделать одну (или несколько) петель, прежде чем в конечном итоге сбежать.

Глядя на край черной дыры, ваши глаза увидят одно изображение галактики на заднем плане в отраженном свете. Затем вы увидите второе изображение галактики от световых лучей, которым удалось сделать одну орбиту перед уходом, а затем снова от световых лучей, сделавших две орбиты, а затем три и так далее.

В течение десятилетий физики знали с помощью простых оценок, что каждое изображение в e ^ 2𝜋 раз ближе, чем предыдущее.

В этой формуле e является основанием натурального логарифма и равно примерно 2,7182. Пи - еще одно иррациональное число, которое составляет около 3,14159, поэтому e ^ 2𝜋 дает число, очень близкое к 500. Это означает, что каждое повторение одного и того же фонового объекта примерно в 500 раз ближе к краю черной дыры, чем предыдущее.

Хотя физики могли получить этот простой результат, используя вычисления на бумаге, они не были уверены, будет ли этот специальный множитель полностью точным, если они внимательно посмотрят на поведение сложной кривизны пространства-времени около черных дыр.

В результатах, опубликованных в новом исследовании, Альберт Снеппен, аспирант Института Нильса Бора при Копенгагенском университете в Дании, использовал численные методы для моделирования физики световых лучей, движущихся по орбите (и покидающих) окрестности черных дыр. Он подтвердил, что коэффициент 500 остался прежним при очень точном исчислении. Его результаты были опубликованы 9 июля в журнале Scientific Reports .

"Есть что-то фантастически красивое в понимании того, почему изображения повторяются таким элегантным образом", - сказал Снеппен в своем заявлении .

Снеппен обнаружил, что коэффициент 500 применим только к упрощенным неподвижным черным дырам. Черные дыры в реальной Вселенной вращаются, что меняет то, как свет вращается вокруг них, что, в свою очередь, меняет расстояние между изображениями.

Peter Laursen

"Оказывается, когда она вращается очень быстро, вам больше не нужно приближаться к черной дыре в 500 раз, а значительно меньше", - сказал Снеппен. "Фактически, каждое изображение теперь всего на 50, или пять, или даже всего в два раза ближе к краю черной дыры".

Поскольку вращение черной дыры закручивает пространство-время вокруг нее, каждое последующее изображение фонового объекта кажется более плоским. Таким образом, самое дальнее изображение будет выглядеть относительно неискаженным, в то время как ближайшее изображение может быть совершенно неузнаваемым.

Технически существует бесконечное количество повторяющихся изображений фоновых объектов, каждое из которых находится ближе к горизонту событий. На практике люди могут никогда их не увидеть, потому что только некоторые из них можно будет разрешить даже с помощью самых мощных телескопов.

Но эти немногие дадут мощный взгляд на суть общей теории относительности , математической теории, описывающей гравитацию.

В 2019 году телескоп Event Horizon - сеть антенн, охватывающая весь земной шар, - сгенерировала первое изображение "тени" черной дыры, отбрасываемой на окружающий ее газ и пыль. Этот телескоп не был достаточно мощным, чтобы захватывать несколько забавных зеркальных изображений фоновых объектов, но будущие телескопы могли.

Сравнение того, насколько объекты реального мира отличаются от того, что мы ожидаем от вычислений, подобных расчетам Снеппена, предоставило бы беспрецедентную проверку общей теории относительности. Если бы, например, за черной дырой была сверхновая - сверхмощный взрыв умирающей звезды, - мы бы увидели, как эта сверхновая взорвалась несколько раз. Каждое изображение будет задерживаться на определенную величину, в зависимости от того, сколько раз оно вращалось вокруг черной дыры, что позволяет исследователям сравнивать свои теории с реальностью.

Нам просто нужно быть готовыми смотреть в пустоту достаточно долго.

Напомним, ранее сообщалось, что самый старый свет раскрывает истинный возраст Вселенной.

Источник