Die „Schatten“ zweier supermassiver Schwarzer Löcher im Prozess der Kollision einschätzen

In einem Paar verschmelzender supermassiver Schwarzer Löcher, eine neue Methode zur Messung der Leere

Wissenschaftler haben eine Möglichkeit entdeckt, die „Schatten“ zweier supermassiver Schwarzer Löcher im Prozess der Kollision zu bestimmen, was Astronomen ein potenziell 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 allererste Bild eines Schwarzen Lochs. Eine schwarze Grube des Nichts, eingeschlossen von einem feurigen Lichtring. Das ikonische Bild der[{” 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.

Eine Simulation des Gravitationslinseneffekts in einem Paar verschmelzender supermassiver Schwarzer Löcher. Bildnachweis: Jordy Devalaar

Die Technik hat nur zwei Anforderungen. Zuerst brauchen Sie ein Paar supermassiver Schwarzer Löcher, die gerade dabei sind, zu verschmelzen. Zweitens müssen Sie das Paar in einem fast seitlichen Winkel betrachten. Wenn ein Schwarzes Loch vor dem anderen vorbeizieht, sollten Sie von diesem seitlichen Standpunkt aus einen hellen Lichtblitz sehen können, da der leuchtende Ring des weiter entfernten Schwarzen Lochs durch das Schwarze Loch, das Ihnen am nächsten ist, vergrößert wird, ein Phänomen das ist als Gravitationslinseneffekt bekannt.

Der Linseneffekt ist bekannt, aber was die Forscher hier entdeckten, war ein verstecktes Signal: ein markanter Helligkeitsabfall, der dem „Schatten“ des Schwarzen Lochs im Hintergrund entspricht. Diese subtile Verdunkelung kann von einigen Stunden bis zu einigen Tagen dauern, je nachdem, wie massiv die Schwarzen Löcher sind und wie eng ihre Umlaufbahnen verflochten sind. Wenn Sie messen, wie lange der Einbruch dauert, sagen die Forscher, können Sie die Größe und Form des Schattens abschätzen, der vom Ereignishorizont des Schwarzen Lochs geworfen wird, dem Punkt ohne Austritt, an dem nichts entweicht, nicht einmal Licht.

In dieser Simulation eines Paares verschmelzender supermassiver Schwarzer Löcher nähert sich das Schwarze Loch, das dem Betrachter am nächsten ist, und erscheint daher blau (Bild 1), wodurch das rotverschobene Schwarze Loch im Hintergrund durch Gravitationslinsen verstärkt wird. Während das nächste Schwarze Loch das Licht des weiter entfernten Schwarzen Lochs verstärkt (Bild 2), sieht der Betrachter einen hellen Lichtblitz. Aber wenn das nächste Schwarze Loch vor dem Abgrund oder Schatten des am weitesten entfernten Schwarzen Lochs vorbeizieht, sieht der Betrachter einen leichten Helligkeitsabfall (Frame 3). Dieser Helligkeitseinbruch (3) zeigt sich deutlich in den Lichtkurvendaten unterhalb der Bilder. Bildnachweis: Jordy Devalaar

„Es hat Jahre und massive Anstrengungen von Dutzenden von Wissenschaftlern gedauert, um dieses hochauflösende Bild der Schwarzen Löcher M87 zu erstellen“, sagte der Erstautor der Studie, Jordy Davelaar, Postdoc am Columbia und dem Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute. „Dieser Ansatz funktioniert nur für die größten und nächsten Schwarzen Löcher – das Paar im Herzen von M87 und möglicherweise unsere eigene Milchstraße.“

Er fügte hinzu: „Mit unserer Technik messen Sie die Helligkeit der Schwarzen Löcher über die Zeit, Sie müssen nicht jedes Objekt räumlich auflösen. Dieses Signal sollte in vielen Galaxien zu finden sein.“

Der Schatten eines Schwarzen Lochs ist sein geheimnisvollstes und informativstes 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, Physikprofessor an der Columbia University.

Wenn man die Verschmelzung eines supermassiven Schwarzen Lochs von der Seite betrachtet, vergrößert das Schwarze Loch, das dem Betrachter am nächsten ist, das weiter entfernte Schwarze Loch durch den Gravitationslinseneffekt. Die Forscher entdeckten einen kurzen Helligkeitsabfall, der dem „Schatten“ des weiter entfernten Schwarzen Lochs entsprach, sodass der Betrachter seine Größe messen konnte. Bildnachweis: Nicoletta Baroloini

Schatten von Schwarzen Löchern könnten auch das Geheimnis der wahren Natur der Schwerkraft enthalten, einer der fundamentalen Kräfte unseres Universums. Einsteins Gravitationstheorie, bekannt als Allgemeine Relativitätstheorie, sagt die Größe von Schwarzen Löchern voraus. Physiker haben sie daher aufgesucht, 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 umlaufende Planeten und das expandierende Universum erklärt, und Quantenphysik, die erklärt wie winzige Teilchen wie Elektronen und Photonen mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können.

Die Forscher interessierten sich für aufflackernde supermassereiche Schwarze Löcher, nachdem sie ein mutmaßliches Paar supermassereicher Schwarzer Löcher im Zentrum einer weit entfernten Galaxie im frühen Universum entdeckt hatten.[{” 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