Сверхмассивная черная дыра помогла подтвердить Общую теорию относительности


Континенталист, 22.02.2018 02:17   –   cont.ws  


Изображение галактики 1H0707-495

Наблюдая за искажением излучения, которое испускает аккреционный диск, вращающийся вокруг черной дыры, можно определить, насколько метрика дыры близка к метрике Керра, предсказываемой Общей теорией относительности. Группа ученых из США, Китая и Германии выполнила такой анализ для сверхмассивной черной дыры из галактики 1H0707-495 и показала, что она действительно хорошо описывается метрикой Керра. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Общая теория относительности (ОТО) хорошо проверена для слабых гравитационных полей — например, для планет Солнечной системы или для двойных пульсаров. В то же время, сильные гравитационные поля изучены гораздо хуже. Поскольку некоторые альтернативные теории гравитации совпадают с ОТО в пределе слабых полей, но дают другие предсказания для сильных полей, ученых интересует проверка предсказания ОТО в этой области.

Особенно сильные гравитационные поля создают черные дыры — настолько сильные, что свет не может вырваться из-под их горизонта событий. Теорема об отсутствии волос гарантирует, что единственным стационарным решением для черной дыры, помещенной в четырехмерное пространство-время, является метрика Керра-Ньюмена (а поскольку большинство объектов во Вселенной не заряжены, метрика Керра-Ньюмена переходит в метрику Керра). Точнее, стационарным, асимптотически плоским и регулярным вне горизонта событий решением. Вокруг такой дыры может образоваться аккреционный диск, фотоны в котором будут ускоряться благодаря обратному комптоновскому рассеянию на электронах; кроме того, атомы диска тоже будут излучать. Из-за гравитационного красного смещения и искривления света отдаленному наблюдателю будет казаться, что спектр излучения и форма излучающей области искажаются. Измеряя эти искажения, можно определить, насколько точно метрика вокруг черной дыры совпадает с метрикой Керра.

В данной статье группа ученых под руководством Козимо Бамби (Cosimo Bambi) впервые применила этот метод на реальных данных, собранных для сверхмассивной черной дыры из галактики 1H0707-495. Ранее они уже описывали подход, с помощью которого можно определить, насколько хорошо метрика Керра описывает такие черные дыры. В этом подходе вводится некоторая модельная метрика, отклонения которой от керровской задаются набором параметров, определяемых из наблюдений. Если все эти параметры оказываются близки к нулю, модельная метрика воспроизводит метрику Керра. Преимуществом этого подхода является независимость от выбранной альтернативной теории гравитации. Здесь ученые рассмотрели метрику Йохансена (Johannsen metric), в которой таким параметром служит α13. Подробности модели можно найти в дополнительных материалах статьи.

Затем ученые проанализировали данные, собранные о сверхмассивной черной дыре телескопами XMM-Newton, NuSTAR и Swift. Анализ исследователи выполнили с помощью программы RELXILL_NK, в которой свободными параметрами являются момент импульса черной дыры a∗, параметр метрики α13, угол наклона диска и несколько других величин. Следуя статьям 1 и 2, ученые рассмотрели три гипотезы, объясняющие различные особенности спектра радиоизлучения и примененные к разным данным. В результате они получили оценки на параметр α13 в зависимости от a∗, которые можно увидеть на рисунках. Линиями разных цветов отмечены оценки, отвечающие разным уровням достоверности (68 процентов для красной, 90 для зеленой и 99 для синей).

, Допустимые значения параметра α13, определённые из анализа 1

В итоге ученые заключают, что с большой долей вероятности пространство-время вокруг черной дыры из галактики 1H0707-495 описывается метрикой Керра, как и предсказывает Общая теория относительности. Авторы статьи считают, что разработанный ими подход так же успешно можно будет применить для анализа данных по другим черным дырам.

Общая теория относительности была сформулирована еще в начале XX века и получила огромное число экспериментальных подтверждений. Например, в июле прошлого года телескоп «Хаббл» заснял прохождение белого карлика на фоне далекой звезды, в результате которого изображение звезды сместилось в соответствии с предсказаниями ОТО. А в мае 2016 года японские астрономы подтвердили, что теория Эйнштейна работает на красных смещениях, больших единицы. Тем не менее, некоторые люди утверждают, что ОТО не верна — впрочем, их аргументы не вызывают доверия.

источник

«Теорема об отсутствии волос»

Черные дыры устроены так, что они создают исключительно стационарные поля, даже если вращаются вокруг своей оси (при условии, что их центр масс покоится). Создаваемые ими гравитационные и электромагнитные поля не будут меняться во времени. Это утверждение называется теоремой об отсутствии волос у черной дыры. Для звезд это не так: они могут создавать вокруг себя, например, переменные во времени магнитные поля, даже если их центр тяжести покоится. Это происходит из-за того, что заряды внутри звезды совершают различные движения, создавая излучение. Но черная дыра ничего такого не создает, даже если у нее под горизонтом происходит страшное движение зарядов.

Поставим мысленный эксперимент: скажем, у нас есть два облака частиц, одно состоит исключительно из протонов и антипротонов, а второе — из нейтронов. Что-то начало в какой-то момент сжимать эти облака. Если их массы и моменты вращения были одинаковы, то в результате мы получим две черные дыры, абсолютно неотличимые друг от друга.

источник

Сегодня в СМИ