science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Een nieuwe stelling voorspelt dat stationaire zwarte gaten minstens één lichtring moeten hebben

Illustratie van een zwart gat omgeven door een lichtring (weergegeven door de heldere cirkel), en door een accretieschijf van interstellair stof (met een zwakkere kleur). Het beeld van een zwart gat, verkregen met simulaties, wordt weergegeven in de rechter benedenhoek, waarin een zichtbare lichtgevende ring een dimmergebied binnenin afbakent. Credit:Origineel bronmateriaal met dank aan NASA/JPL-Caltech/T. Pyle en wetenschappelijke vooruitgang 18 mrt 2020:Vol. 6, Nee. 12 onder de Creative Commons Naamsvermelding Niet-commerciële Licentie 4.0 (CC BY-NC).

Zwarte gaten, gebieden in de ruimte met zo'n intens zwaartekrachtsveld dat er geen materie of straling uit kan ontsnappen, behoren tot de meest mysterieuze en fascinerende kosmologische verschijnselen. In de afgelopen vijf jaar of zo, astrofysici verzamelden de eerste waarnemingen van de sterke zwaartekracht rond zwarte gaten.

De LIGO-Virgo-samenwerking was in staat om zwaartekrachtsgolven rond deze hemellichamen te detecteren met behulp van enkele van de meest geavanceerde zwaartekrachtgolfdetectoren ter wereld. In de tussentijd, de onderzoeksgroep Event Horizon Telescope maakte de allereerste opname van een schaduw van een zwart gat.

Hoewel beide observaties veelbelovend en boeiend zijn, geen van beiden zal waarschijnlijk de waarnemingshorizon onthullen, de grens die het specifieke gebied in de ruimte rond een zwart gat definieert waaruit niets kan ontsnappen. Niettemin, ze moeten een handtekening bevatten die wijst naar een aangrenzende regio net buiten de waarnemingshorizon, waarin licht zo sterk wordt gebogen dat zijn pad over zichzelf sluit en cirkelvormige banen vormt die bekend staan ​​​​als lichtringen.

Het bestuderen van deze lichtringen zou uiteindelijk ons ​​huidige begrip van zwarte gaten en hun eigenschappen kunnen verrijken. Tot dusver, echter, veel vragen blijven onbeantwoord, en we hebben nog lang geen goed begrip van zowel zwarte gaten als de lichtringen eromheen.

Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica in Duitsland en Universidade de Aveiro in Portugal hebben onlangs een stelling geïntroduceerd die voorspellingen doet over de lichtringen rond stationaire zwarte gaten. hun stelling, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , suggereert dat evenwicht zwarte gaten moet, als een algemene regel, hebben ten minste één lichtring in elk van hun draairichting.

"Opmerkelijk, de eigenschappen van lichtringen kunnen veel relevante informatie over zwarte gaten coderen, "Pedro Cunha en Carlos Herdeiro, de twee onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org via e-mail. "Het meten van deze eigenschappen geeft een direct inzicht in het ongrijpbare en toch vrij onbekende regime van zeer sterke zwaartekracht dicht bij een zwart gat. Op dit moment is het nog steeds onduidelijk of Einsteins algemene relativiteitstheorie een goede beschrijving blijft van de zwaartekrachtwetten onder dergelijke extreme omstandigheden. een belangrijke vraag is:is een model van een zwart gat, in elke theorie van de zwaartekracht, lichtring nodig?"

Gesimuleerde afbeelding van een roterend zwart gat. Origineel bronmateriaal (achtergrondafbeelding) tegoed:ESO/S. Brunier.

Volgens de algemene relativiteitstheorie de eigenschappen van zwarte gaten in een evenwichtstoestand en in de lege ruimte zijn zeer beperkt. Kosmologische waarnemingen uit het verleden suggereren dat deze klassieke zwarte gaten lichtringbanen hebben, wat zou kunnen betekenen dat elk denkbaar zwart gat ook deze banen zou hebben.

Met hun studie Cunha en Herdeiro probeerden de mogelijkheid te onderzoeken om het begrip banen van lichtringen te extrapoleren en toe te passen op zwarte gaten met generieke materie of op alternatieve theorieën over zwaartekracht (d.w.z. niet de algemene relativiteitstheorie). De nieuwe stelling die ze bedachten, biedt een solide theoretische basis voor de voorspelling dat generieke evenwichtszwarte gaten minstens één lichtringbaan moeten hebben.

"In onze krant introduceren we een generiek en wiskundig vernieuwend argument dat stelt dat een zwart gat in evenwicht inderdaad moet hebben, als een regel, ten minste één standaard lichtring in elke draairichting, " zeiden Cunha en Herdeiro. "Om lichtringen te analyseren, typisch, men beschouwt families van oplossingen van een gegeven zwaartekrachttheorie, zoals de algemene relativiteitstheorie, of een bepaald model van gewijzigde zwaartekracht. Hier, echter, het argument is van topologische aard."

Topologie is een specifiek gebied van de wiskunde dat zich richt op de studie van geometrische eigenschappen die niet worden beïnvloed wanneer een object vervormingen of andere veranderingen in vorm en grootte ondergaat. Het belangrijkste idee achter topologiestudies is dat sommige problemen niet worden beïnvloed door de exacte vorm en grootte van objecten, maar eerder door de manier waarop deze objecten in elkaar vervormd kunnen worden.

"Als een eenvoudig voorbeeld, een bol en een donut hebben een verschillend aantal gaten en zijn topologisch verschillend, " legden de onderzoekers uit. "In tegenstelling, een bol en een kubus hebben dezelfde topologie, ondanks het feit dat ze verschillende geometrische vormen hebben."

In hun krant Cunha en Herdeiro passen op topologie gebaseerde constructies toe op de vraag of er een lichtringbaan rond een zwart gat bestaat. In plaats van bewegingsvergelijkingen van een specifieke zwaartekrachttheorie te gebruiken om deze vraag te beantwoorden, hun stelling onderzoekt eenvoudig hoe de ruimtetijd zich zowel in de buurt van een zwart gat als ver weg ervan zou moeten gedragen.

De auteurs (Carlos Herdeiro, links; Pedro Cunha, Rechtsaf), in de controlekamer van de LIGO-Livingston zwaartekrachtgolfdetector in Livingston Parish, Louisiana, in februari 2017.

"Met andere woorden, we nemen niet aan dat één wet van de zwaartekracht correct is, maar neem alleen aan dat de juiste wet van de zwaartekracht (d.w.z. wat dat ook is) maakt het bestaan ​​van zwarte gaten mogelijk, " zeiden Cunha en Herdeiro. "Toen, het dwingen van de ruimtetijdstructuur om te gehoorzamen aan enkele regelmatigheidsvereisten, het bestaan ​​van een zwart gat impliceert dat er een lichtring buiten de horizon moet zijn. In feite, een roterend zwart gat moet minstens twee lichtringen hebben:een voor licht dat om het zwarte gat cirkelt in dezelfde draairichting als het zwarte gat en een andere voor licht dat in de tegenovergestelde richting om het zwarte gat cirkelt."

Het recente artikel van Cunha en Herdeiro biedt een nieuw theoretisch perspectief dat als basis kan dienen voor verder onderzoek naar lichtringen rond zwarte gaten. Het belangrijkste voordeel is de algemeenheid, omdat het geen specifieke zwaartekrachttheorie volgt en dus ook geldt als de algemene relativiteitstheorie van Einstein in deze context niet van toepassing of nauwkeurig was.

"De voorspelling dat zwarte gaten altijd lichtringen hebben en ze altijd buiten de horizon zijn, heeft belangrijke gevolgen, " zeggen Cunha en Herdeiro. "Bijvoorbeeld, het houdt in dat het silhouet van een zwart gat, bekend als de schaduw van het zwarte gat, is over het algemeen anders en meestal groter dan wat je zou verwachten van de grootte van het zwarte gat zelf. Dus de schaduw zou altijd een vergroting van het zwarte gat moeten zijn."

Hoewel het theoretisch sterk kan zijn, net als elke andere wiskundige stelling die van toepassing is op echte systemen, is de constructie die door Cunha en Herdeiro is geïntroduceerd, gebaseerd op een reeks aannames. In hun toekomstige werk, de onderzoekers zijn van plan enkele van deze aannames te veranderen en te beoordelen of de voorspellingen van hun stelling veranderen of hetzelfde blijven.

"Een belangrijke aanname van onze stelling is dat er ver weg van het zwarte gat geen zwaartekrachtveld is, " zeiden Cunha en Herdeiro. "Echter, in het heelal is er een kosmologische constante die de expansie van de kosmos aandrijft. Dit creëert een klein zwaartekrachtveld, hoe ver je ook van het zwarte gat verwijderd bent. Het zou heel interessant zijn om te begrijpen of deze kleine verandering in de aanname de conclusies van onze stelling zou veranderen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk