충돌 과정에서 두 초거대질량 블랙홀의 축소된 ‘그림자’

초거대질량 블랙홀이 합쳐지는 과정에서 진공을 측정하는 새로운 방법

과학자들은 충돌 과정에서 두 초거대질량 블랙홀의 ‘그림자’를 정량화하는 방법을 발견하여 천문학자들에게 먼 은하의 블랙홀을 측정하고 대체 중력 이론을 테스트할 수 있는 잠재적인 새로운 도구를 제공합니다.

3년 전 세계는 블랙홀의 첫 번째 이미지를 보고 경악했습니다. 불 같은 빛의 고리로 둘러싸인 느닷없는 블랙홀. 그 아이코닉한 이미지는[{” 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.

한 쌍의 초거대 소형 블랙홀에서 중력 렌즈의 시뮬레이션. 크레딧: Jordi Devalar

이 기술에는 두 가지 요구 사항만 있습니다. 첫째, 합병 중에 한 쌍의 초대질량 블랙홀이 필요합니다. 둘째, 대략적인 측면 각도에서 쌍을 봐야 합니다. 이 측면에서 보면 하나의 블랙홀이 다른 블랙홀의 앞을 지나갈 때 블랙홀의 빛나는 고리가 당신에게 가장 가까운 블랙홀에 의해 확대되면서 밝은 섬광을 볼 수 있어야 합니다. 중력렌즈.

렌즈의 효과는 잘 알려져 있지만 연구원들이 여기서 발견한 것은 미묘한 신호였습니다. 바로 배경에 있는 블랙홀의 “그림자”에 해당하는 밝기의 특성 저하입니다. 이 미묘한 디밍은 블랙홀의 크기와 그 궤도가 얼마나 얽혀 있는지에 따라 몇 시간에서 며칠까지 지속될 수 있습니다. 방울이 얼마나 오래 지속되는지 측정하면 블랙홀의 사건 지평선, 출구가 없는 지점, 빛조차 빠져나가는 것이 없는 지점이 만드는 그림자의 크기와 모양을 추정할 수 있다고 연구원들은 말합니다.

한 쌍의 초대질량 병합 블랙홀 시뮬레이션에서 관찰자에게 가장 가까운 블랙홀이 가까워지고 따라서 파란색으로 나타나며(박스 1), 중력 렌즈를 통해 뒤에 있는 적색 편이 블랙홀을 팽창시킵니다. 가장 가까운 블랙홀이 블랙홀의 빛을 더 멀리 증폭시키면(박스 2), 관찰자는 밝은 빛의 섬광을 봅니다. 그러나 가장 가까운 블랙홀이 심연이나 가장 먼 블랙홀의 그림자 앞에서 지나갈 때 관찰자는 밝기가 약간 감소하는 것을 봅니다(박스 3). 이 밝기 감소(3)는 이미지 아래의 광 곡선 데이터에서 명확하게 볼 수 있습니다. 크레딧: Jordi Devalar

이번 연구의 제1저자인 컬럼비아 및 플랫아이언 전산천체물리학센터의 박사후 연구원인 조르디 다빌라(Jordi Davilar)는 “M87 블랙홀의 고해상도 이미지를 만드는 데 수십 명의 과학자들이 수년과 엄청난 노력을 기울였다”고 말했다. “이 접근 방식은 가장 크고 가장 가까운 블랙홀, 즉 M87의 중심에 있는 쌍과 아마도 우리 은하에서만 작동합니다.”

그는 “우리의 방법으로 시간이 지남에 따라 블랙홀의 밝기를 측정하고 각 물체를 공간적으로 해결할 필요가 없다. 많은 은하계에서 이 신호를 찾을 수 있어야 한다”고 덧붙였다.

블랙홀의 그림자는 가장 신비하고 교훈적인 특징입니다. 공동 저자인 콜롬비아 대학의 물리학 교수 졸탄 하이만(Zoltan Haiman)은 “그 어두운 점은 블랙홀의 크기, 그 주위의 시공간의 모양, 물질이 블랙홀의 지평선 근처에 떨어지는 방식에 대해 알려줍니다.”라고 말했습니다.

측면에서 초거대질량 블랙홀 병합을 관찰하면 관측자에게 가장 가까운 블랙홀은 중력렌즈의 영향으로 멀리 있는 블랙홀을 확대한다. 연구원들은 멀리 있는 블랙홀의 “그림자”에 해당하는 밝기의 짧은 감소를 감지하여 관찰자가 그 크기를 측정할 수 있도록 했습니다. 크레딧: Nicoletta Barolwini

블랙홀의 그림자는 우리 우주의 근본적인 힘 중 하나인 중력의 본질에 대한 비밀을 숨길 수 있습니다. 일반 상대성 이론으로 알려진 아인슈타인의 중력 이론은 블랙홀의 크기를 예측합니다. 따라서 물리학자들은 자연이 작동하는 방식에 대한 두 가지 상충되는 아이디어, 즉 행성의 회전 및 팽창하는 우주와 같은 대규모 현상을 설명하는 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 전자 및 광자와 같은 작은 입자가 동시에 여러 상태를 차지하는 방법을 설명합니다.

연구원들은 다음으로 초대질량 블랙홀 점화에 관심을 갖게 되었습니다. 십장 초기 우주에서 먼 은하의 중심에 있는 것으로 의심되는 한 쌍의 초대질량 블랙홀.[{” 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