Тінь чорної діри як нова “стандартна лінійка” в космології

14

Розміри тіней чорних дір на космологічних відстанях досліджували співробітники ікі ран геннадій біснуватий-коган і олег цупко. Отримані ними результати можна використовувати для визначення космологічних параметрів і уточнення моделі еволюції всесвіту.

Вважається, що в центрі більшості галактик знаходиться надмасивна чорна діра з величезною масою — мільйони або навіть мільярди мас сонця. Сама чорна діра невидима, але вона може бути «видима» як темна пляма на тлі інших яскравих джерел. Таке пляма називається тінню чорної діри (black hole shadow). У квітні 2019 року проект event horizon telescope («телескоп горизонту подій») представив гучну «фотографію» чорної діри — це були результати спостережень саме тіні надмасивної чорної діри в галактиці m87.

Основна проблема в спостереженні тіні чорної діри — її вкрай малий кутовий розмір. Тому дослідникам потрібно було досягти дуже високої кутової роздільної здатності. Представники проекту event horizon telescope наводять такий приклад: дозволу, досягнутого в проекті, достатньо щоб читати газету в нью-йорку, перебуваючи у вуличному кафе в парижі («enough to read a newspaper in new york from a sidewalk café in paris»).

У роботах співробітників ікі, присвячених цій тематиці, вивчаються тіні чорних дір, що знаходяться на дуже далеких, як кажуть, космологічних відстанях — в мільярди світлових років. (також в якості міри віддаленості об’єкта в розширюється всесвіту використовується т. Зв. “червоне зміщення” його спектра z: чим воно більше, тим об’єкт далі від нас.)

Здавалося б, в силу великої відстані тіні таких чорних дір повинні бути дуже малі. Адже в звичайному житті ми звикли до того, що чим далі знаходиться об’єкт, тим менше його кутовий розмір для нас. Однак на космологічних відстанях на поширенні світла починає позначатися розширення всесвіту, а саме — на поширенні променів, що йдуть з околиці чорної діри до нас.

Розширення всесвіту призводить до того, що на великих відстанях спостережуваний кутовий розмір об’єкта починає не зменшуватися, а збільшуватися з ростом червоного зміщення. Це призводить до того, що тіні від дуже далеких чорних дір можуть мати досить великі кутові розміри, щоб їх можна було спостерігати за допомогою телескопів наступних поколінь, наприклад, james webb space telescope і «міліметрон».

Досліджуючи цю гіпотезу, співробітники ікі ран геннадій семенович біснуватий-коган, керівник лабораторії магнітоплазменних процесів в релятивістській астрофізиці, і олег юрійович цупко, старший науковий співробітник лабораторії, отримали зв’язок очікуваного кутового розміру тіні з червоним зміщенням (стаття була опублікована в 2018 році за підтримки гранту рнф 18-12-00378 в журналі physical review d).

Було показано, зокрема, що в певних умовах розмір тіні чорної діри на великому червоному зміщенні може бути порівнянний з розміром тіні чорної діри в центрі нашої галактики.

На основі цих обчислень дослідники запропонували використовувати тінь чорної діри в якості так званої» стандартної лінійки ” в космології (standard ruler). Це було зроблено в недавній статті, опублікованій в журналі classical and quantum gravity у співавторстві з цзухуей фань (zuhui fan, університет юньнаня і пекінський університет, китай).

«стандартною лінійкою» в космології називаються астрономічні об’єкти з відомим розміром. Ефективний лінійний розмір тіні чорної діри (фактично, лінійний розмір тієї області простору, яку ми сприймаємо як «тінь») визначається головним чином її масою. Отже, якщо ми можемо точно виміряти масу чорної діри, то фізичний розмір її тіні стане нам відомий. Поділивши його на спостережуваний кутовий розмір тіні, ми визначаємо відстань до чорної діри. Отримане таким чином відстань можна порівняти з відстанню, обчисленим виходячи з червоного зміщення для даної космологічної моделі. Якщо ці дві відстані збігаються, це означає, що використовується правильна космологічна модель. Якщо ж ні – ми можемо, виходячи з цього порівняння, «підправити» параметри моделі.

Наприклад, таким чином можна отримати постійну хаббла (hubble constant). Постійна хаббла вимірюється різними методами, при цьому присутня неузгодженість між результатами. Тому нові незалежні способи її отримання мають принципове значення.

очікуваний кутовий розмір тіні чорної діри з урахуванням впливу розширення всесвіту в залежності від червоного зміщення. Чорними суцільними лініями показані криві для трьох різних мас. Криві обчислені для сучасного набору космологічних параметрів. З малюнка видно, що на великих червоних зсувах кутовий розмір тіні починає збільшуватися і може досягати розмірів тіні в галактиці m87 (показаний для порівняння червоним кружком). Малюнок о. Ю. Цупко

Щоб використовувати цей метод, необхідно збільшення кутового дозволу телескопів приблизно на один порядок. Цього можна досягти, використовуючи космічні інтерферометри з великою базою, а також зменшуючи довжину хвилі спостереження-див., наприклад, майбутні проекти james webb space telescope і»міліметрон”. Крім того, необхідно точне незалежне визначення мас чорних дір. Для цього зараз використовуються різні методи: прямі методи, засновані на динаміці зірок або газу близько чорної діри, спостереження мазерів, метод реверберації (reverberration mapping) та інші.