С помощью математических уравнений удалось объяснить расстояние между орбитами фотонов на горизонте событий.
Своеобразная оптическая капсула времени. Снаружи, сразу за горизонтом событий черной дыры находится узкая зона, в которой улавливается свет, и, находясь в этой зоне, он многократно обращается вокруг черной дыры. А это значит, что световые кольца создаются из отображений вселенной разного возраста – такая себе визуальная капсула времени. Один исследователь решил выяснить, насколько далеко эти фотонные сферы находятся друг от друга, и какая математика стоит за ними. И его формулы позволяют рассчитать расстояние световых кольец для разных черных дыр.
Вокруг черной дыры есть зона, в которой свет может вращаться многократно и таким образом сохранять изображения своего окрушения во вселеной разного возраста. © vchal / Getty images
Когда свет попадает в черную дыру, он обычно либо поглощается, либо отклоняется и отбрасывается обратно в космос. Но есть и третья возможность, которую предсказал Альберт Эйнштейн: почти вплотную к горизонту событий существует узкая зона, в которой фотоны могут многократно облететь черную дыру. С каждым последующем прохождением орбиты они перемещаются немного ближе к «последней фотонной орбите» — фотонной сфере, из которой черная дыра поглощает свет.
Что определяет расстояние между орбитами фотонов?
такое вращение создает сферу все более тонких и узких фотонных колец, которые содержат свет и, следовательно, отображения вселенной разного возраста. Каждое кольцо — это все более отсроченный и сжатый снимок вселенной, такая себе визуальная капсула времени. «Наблюдатель видит в них всю поверхность горизонта событий и всю вселенную, видимую оттуда в бесконечно повторяющихся изображениях», — объясняет Альберт Снеппен из Cosmic Dawn Center в Копенгагене.
Но почему эти световые кольца расположены в шахматном порядке? Из уравнений поля Эйнштейна можно определить, где находится последняя орбита фотонов в классических невращающихся черных дырах. Расстояние между световыми кольцами, движущимися по спирали к этой последней стабильной орбите, уже было рассчитано ранее. Соответственно, каждое кольцо отделено от следующего в e<sup> 2π </sup> раз, то есть примерно в 500 раз. Однако до сих пор не хватало связного и всеобъемлющего математического уравнения, чтобы понять, почему это обстоит именно так.
Два конкурирующих экспоненциальных уравнения
Снеппен предоставил именно эту математическую основу и ее доказательство. «Это невероятное чувство, наконец, понять, почему изображения черной дыры повторяются таким элегантным образом», — объясняет астрофизик. — «Уравнения дают нам возможность аналитического осознания ранее разработанных решений. Кроме того, теперь это дает новые возможности проверить наши представления о гравитации и черных дырах».
С каждой орбитой черной дыры свет галактики создает более тонкое и искаженное изображение ее источника. © Peter Laursen
В частности, молодой исследователь обнаружил, что угол отклонения и все орбиты света в окрестности последней фотонной сферы можно описать двумя конкурирующими экспоненциальными функциями. В зависимости от положения фотона и его траектории баланс между этими уравнениями смещается и описывает угол отклонения по отношению к последней орбите фотонов — как внутрь при падении на горизонт событий, так и наружу, когда он окончательно выбрасывается в космос.
Также применимо и к вращающимся черным дырам
Как было рассчитано ранее, эти формулы показывают, что отдельные световые кольца вокруг невращающейся черной дыры находятся в 535 раз дальше каждое от своей предыдущей орбиты. Кроме того, уравнения Снеппена также можно использовать для определения орбиты фотонов вокруг вращающихся черных дыр и любых других несферических симметричных пространственно-временных стоков, объясняет он.
«Оказывается, что в случае с быстро вращающейся черной дырой нам больше не нужно приближаться в 500 раз дальше, чтобы обнаружить следующую орбиту, ибо это значение значительно меньше», — сообщает астрофизик. — «Следующая орбита может быть здесь всего в 50, пять или даже только в два раза ближе к предыдущей орбите вокруг черной дыры».
Асимметрия предлагает возможности для наблюдения
И есть еще одно отличие: если вы посмотрите на «экватор» такой вращающейся черной дыры, повторяющиеся фотонные кольца кажутся асимметричными. «Прямые копии источника света будут повторяться быстрее, чем ретроградные копии», — объясняет Снеппен. — «Эта асимметрия имеет потенциально далеко идущее значение для наблюдения этих явлений». Потому что это означает, что прямые световые кольца вокруг вращающейся черной дыры, вероятно, будет легче увидеть с помощью телескопов будущих поколений.
Фактически, астрономы телескопа Event Horizon (EHT) подсчитали, что самое внешнее, самое молодое фотонное кольцо может быть обнаружено уже тогда, если радиотелескоп на земной поверхности соединить со вторым радиотелескопом на земной орбите. А чтобы увидеть следующее и более старое фотонное кольцо, второй телескоп должен быть расположен на Луне.
Источник: kosmos-x.net.ru
