Первые в истории прямые изображения сверхмассивных чёрных дыр в галактике M87 и в центре нашего Млечного Пути, полученные международной коллаборацией Event Horizon Telescope (EHT), стали настоящей революцией в астрономии. Эти снимки открыли беспрецедентное окно в экстремальные условия, царящие вокруг самых загадочных объектов во Вселенной. Учёные получили уникальный инструмент для изучения физики пространства, времени и гравитации в её наиболее интенсивном проявлении.
На самом деле, то, что мы видим на этих изображениях, — это не сама чёрная дыра, которую невозможно наблюдать напрямую, а её так называемая "тень". Как объясняет профессор Франкфуртского университета имени Гёте Лучано Реццолла, эта "тень" создаётся светом от раскалённой плазмы, которая вращается на последней стабильной орбите перед тем, как быть поглощённой. Эта орбита, известная как ISCO, является самой внутренней, где вещество может устойчиво вращаться, прежде чем необратимо упасть за горизонт событий. Именно быстрое поглощение вещества внутри этой границы создаёт резкую тёмную область на фоне излучения, формируя "тень", чей размер тесно связан с массой чёрной дыры. Этот финальный "сигнал" позволяет изучать свойства чёрной дыры и проверять фундаментальные теории, описывающие гравитацию.
Более ста лет общей теории относительности Эйнштейна не было альтернативы в описании чёрных дыр. Однако существуют и другие, пока гипотетические теории, которые также предсказывают существование подобных объектов, но требуют экзотической материи или даже пересмотра известных законов физики. К таким альтернативам относятся, например, скалярно-тензорные теории вроде теории Бранса-Дикке, где гравитация описывается дополнительным скалярным полем, или модифицированные теории, такие как f(R), изменяющие фундаментальный лагранжиан. Принципиально они отличаются от ОТО введением новых полей, модификацией уравнений или отказом от некоторых её постулатов, что может влиять на предсказания в экстремальных условиях. Чтобы проверить, какая из теорий верна, международная группа учёных, включая Реццоллу и его коллег из Института Цзун-Дао Ли в Шанхае, предложила новый метод, основанный на детальном анализе изображений "теней".
Исследователи разработали всеобъемлющую теоретическую модель, описывающую, как будут выглядеть чёрные дыры в рамках различных теорий гравитации, и чем эти изображения будут отличаться от предсказаний Эйнштейна. С помощью сложных трёхмерных компьютерных симуляций они смоделировали движение вещества и магнитных полей в искривлённом пространстве-времени и создали синтетические изображения светящегося аккреционного диска для каждого сценария, чтобы найти отличительные визуальные признаки.
"Ключевой вопрос был в том, насколько сильно изображения чёрных дыр различаются в разных теориях", — говорит ведущий автор работы Ахил Униял. Учёные пришли к выводу, что текущего разрешения телескопа EHT пока недостаточно, чтобы уловить эти тонкие различия. Однако будущие технологические усовершенствования, такие как добавление новых обсерваторий в сеть EHT и даже запуск радиотелескопа в космос, постепенно сделают такие сверхточные сравнения возможными.
Главный вклад проекта EHT, по словам Реццоллы, заключается в том, что он превратил чёрные дыры из чисто теоретических конструкций в объекты, поддающиеся экспериментальной проверке. Пока все полученные данные согласуются с теорией относительности Эйнштейна. Тем не менее, учёные подчёркивают, что даже устоявшиеся теории необходимо постоянно проверять в экстремальных условиях. Если когда-нибудь теория Эйнштейна не выдержит такой проверки, это станет революционным моментом для всей физики, открыв новую главу в понимании Вселенной.
Источник: Einstein might have been wrong about black holes