Доведено математично, як Всесвіт віддзеркалюється поблизу чорних дір

В околицях чорних дір простір настільки викривлений, що навіть промені світла можуть вигинатися навколо них по кілька разів. За допомогою цього явища можна побачити кілька версій однієї й тієї ж речі.

Хоча про це було відомо впродовж десятиліть, лише зараз отримано точний математичний вираз завдяки Альберту Снеппену, студенту Інституту Нільса Бора, про що розповідають у вказаному науково-дослідницькому інституті. Результат, який навіть більш корисний для реалістичних чорних дір, був нещодавно опублікований у журналі Scientific Reports.

Ви, напевно, чули про чорні діри — дивовижні гравітаційні згустки, з яких не може вибратися навіть світло. Можливо, ви також чули, що сам простір і навіть час поводяться дивно біля чорних дір; простір викривлений.

В околицях чорної діри простір викривлений настільки, що промені світла відхиляються, а дуже близьке світло може відхилятися настільки, що кілька разів обходить чорну діру. Отже, коли ми спостерігаємо далеку фонову галактику (або якесь інше небесне тіло), нам може пощастити бачити одне і те ж зображення галактики кілька разів, хоча і дедалі більш спотворене.

Галактики в декількох версіях

Механізм показаний на малюнку нижче: далека галактика світить у всіх напрямках — частина її світла наближається до чорної діри й злегка відхиляється; деяка частина світла приходить ще ближче і обходить навколо діри один раз, перш ніж втекти до нас, і так далі. Дивлячись близько до чорної діри, ми бачимо все більше та більше варіантів тієї самої галактики, чим ближче до краю діри ми дивимося.

Світло з фонової галактики обходить навколо чорної діри все більшу і більшу кількість разів, підходячи ближче до діри, тому ми бачимо одну і ту ж галактику в декількох напрямках (малюнок: Peter Laursen).

Наскільки ближчим виглядає наступне зображення до чорної діри від попереднього?Результат відомий понад 40 років і становить приблизно 500 разів (для шанувальників математики, це "експоненційна функція двох пі", записується як e^2π).

Обрахувати це настільки складно, що до недавнього часу ми ще не мали математичної та фізичної інтуїції щодо того, чому цей коефіцієнт є саме таким. Але, використовуючи деякі кмітливі математичні хитрощі, студент магістратури Альберт Снеппен з Центру космічного світанку — базового дослідницького центру як Інституту Нільса Бора, так і Національного космічного інституту при Технічному університеті Данії — тепер зумів довести, чому це відбувається так.

"Зараз є щось фантастично красиве у розумінні того, чому зображення повторюються настільки елегантно. Крім того, це дає нові можливості для перевірки нашого розуміння гравітації та чорних дір", - уточнює Альберт Снеппен.

Доведення чогось математично є не лише приємним саме по собі; більш того, це наближує нас до розуміння цього дивовижного явища. Коефіцієнт "500" безпосередньо випливає з того, як працюють чорні діри та гравітація, тому повторення зображень тепер стає способом вивчення та перевірки гравітації.

Чорні діри, що обертаються

Абсолютно новим є те, що метод Снеппена також можна узагальнити, застосовуючи не лише до "тривіальних" чорних дір, але і до чорних дір, які обертаються. Що, власне, вони всі й роблять.

"Виявляється, коли вона обертається дуже швидко, вам більше не доведеться наближатися до чорної діри у 500 разів, а значно менше. Фактично, кожне зображення тепер лише у 50, або у 5, або навіть у два рази ближче до краю чорної діри", - пояснює Альберт Снеппен.

Малюнок: Peter Laursen

Необхідність дивитися у 500 разів ближче до чорної діри для кожного нового зображення означає, що зображення швидко «стискаються» в одне кільцеве зображення, як видно на малюнку. На практиці багато зображень буде важко спостерігати. Але коли чорні діри обертаються, залишається більше місця для «додаткових» зображень, тому ми можемо сподіватися на спостережне підтвердження теорії в не надто далекому майбутньому. Таким чином, ми можемо дізнатись не лише про чорні діри, але і про галактики, що стоять за ними:

Час подорожі світла збільшується, чим більше разів йому доводиться обходити чорну діру, тому зображення все більше "затримуються". Якщо, наприклад, зірка вибухає як наднова у фоновій галактиці, можна було б бачити цей вибух знову і знову.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.