En ny sætning forudsiger, at stationære sorte huller skal have mindst én lysring

Sorte huller, områder i rummet med et så intenst gravitationsfelt, at intet stof eller stråling kan undslippe dem, er blandt de mest mystiske og fascinerende kosmologiske fænomener. I løbet af de sidste fem år eller deromkring, astrofysikere indsamlede de første observationer af de stærke gravitationskræfter omkring sorte huller.

LIGO-Virgo-samarbejdet var i stand til at detektere gravitationsbølger omkring disse himmellegemer ved hjælp af nogle af de mest avancerede gravitationsbølgedetektorer i verden. I mellemtiden forskergruppen Event Horizon Telescope fangede det allerførste billede af et sort huls skygge.

Selvom begge disse observationer er meget lovende og fængslende, ingen af ​​dem vil sandsynligvis løfte sløret for begivenhedshorisonten, grænsen, der definerer det specifikke område i rummet omkring et sort hul, hvorfra intet kan undslippe. Ikke desto mindre, de skal indeholde en signatur, der peger på en naboregion lige uden for begivenhedshorisonten, hvor lyset er bøjet så kraftigt, at dets vej lukker sig over sig selv og danner cirkulære baner kendt som lysringe.

At studere disse lysringe kan i sidste ende berige vores nuværende forståelse af sorte huller og deres egenskaber. Indtil nu, imidlertid, mange spørgsmål forbliver ubesvarede, og vi er stadig langt fra at få en god forståelse af både sorte huller og lysringene, der omgiver dem.

Forskere ved Max Planck Institute for Gravitational Physics i Tyskland og Universidade de Aveiro i Portugal har for nylig introduceret en sætning, der giver forudsigelser om lysringene omkring stationære sorte huller. Deres teorem, præsenteret i et papir udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , antyder, at sorte huller i ligevægt skal, som hovedregel, har mindst én lysring i hver af deres rotationssans.

"Bemærkelsesværdigt, egenskaberne af lysringe kan kode meget relevant sort hul information, "Pedro Cunha og Carlos Herdeiro, de to forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org via e-mail. "Måling af disse egenskaber giver et direkte vindue ind i det undvigende og alligevel ret ukendte regime med meget stærk tyngdekraft tæt på et sort hul. På nuværende tidspunkt er det stadig uklart, om Einsteins generelle relativitetsteori forbliver en god beskrivelse af tyngdelovene under sådanne ekstreme forhold. Derfor et nøglespørgsmål er:gør enhver sort hul-model, i enhver teori om tyngdekraft, skal du have en lysring?"

Ifølge den almene relativitetsteori, egenskaberne af sorte huller i en tilstand af ligevægt og i tomt rum er meget begrænsede. Tidligere kosmologiske observationer tyder på, at disse klassiske sorte huller har lysringbaner, hvilket kunne betyde, at ethvert tænkeligt sort hul også ville have disse baner.

Med deres studie, Cunha og Herdeiro forsøgte at undersøge muligheden for at ekstrapolere begrebet lysringbaner og anvende det på sorte huller med generisk stofindhold eller på alternative teorier om tyngdekraft (dvs. ikke den generelle relativitetsteori). Det nye teorem, de udtænkte, giver et solidt teoretisk grundlag for forudsigelsen om, at generiske ligevægtssorte huller skal have mindst én lysringbane.

"I vores avis, vi introducerer et generisk og matematisk innovativt argument, der fastslår, at et sort ligevægtshul faktisk skal have, som regel, mindst én standard lysring i hver rotationsforstand, " sagde Cunha og Herdeiro. "For at analysere lysringe, typisk, man betragter familier af løsninger af en given teori om tyngdekraft, ligesom generel relativitetsteori, eller en bestemt model af modificeret tyngdekraft. Her, imidlertid, argumentet er af topologisk karakter."

Topologi er et specifikt område af matematik, der fokuserer på studiet af geometriske egenskaber, der ikke påvirkes, når et objekt gennemgår deformationer eller andre ændringer i form og størrelse. Hovedideen bag topologistudier er, at nogle problemer er upåvirkede af objekters nøjagtige form og størrelse, men snarere ved den måde, hvorpå disse genstande kan deformeres til hinanden.

"Som et simpelt eksempel, en kugle og en doughnut har et forskelligt antal huller og er topologisk adskilte, " forklarede forskerne. "I modsætning hertil, en kugle og en terning har samme topologi, på trods af at de har forskellige geometriske former."

I deres papir, Cunha og Herdeiro anvender topologi-baserede konstruktioner på spørgsmålet om, hvorvidt der eksisterer en lysringbane omkring et sort hul. I stedet for at bruge bevægelsesligninger leveret af en specifik tyngdekraftsteori til at forsøge at besvare dette spørgsmål, deres sætning undersøger blot, hvordan rumtiden skal opføre sig både nær et sort hul og langt væk fra det.

"Med andre ord, vi antager ikke, at én tyngdelov er korrekt, men antag kun, at den korrekte tyngdelov (dvs. hvad end det er) tillader eksistensen af ​​sorte huller, sagde Cunha og Herdeiro. tvinge rumtidsstrukturen til at adlyde nogle regelmæssighedskrav, eksistensen af ​​et sort hul indebærer, at der skal være en lysring uden for horisonten. Faktisk, et roterende sort hul skal have mindst to lysringe:en til lys, der kredser om det sorte hul i samme drejeretning som det sorte hul, og en anden til lys, der kredser om det sorte hul i den modsatte retning."

Det nylige papir af Cunha og Herdeiro giver et nyt teoretisk perspektiv, der kunne tjene som grundlag for yderligere undersøgelser, der undersøger lysringe omkring sorte huller. Dens vigtigste fordel er dens almindelighed, da den ikke følger nogen specifik tyngdekraftsteori og dermed holder, selvom Einsteins generelle relativitetsteori ikke var anvendelig eller præcis i denne sammenhæng.

"Forudsigelsen om, at sorte huller altid har lyse ringe, og de altid er uden for horisonten, har vigtige konsekvenser, " siger Cunha og Herdeiro. "For eksempel, det antyder, at silhuetten af ​​et sort hul, kendt som det sorte huls skygge, er generisk anderledes og normalt større end hvad man ville forvente, at størrelsen af ​​selve det sorte hul er. Så skyggen skal altid være en forstørrelse af det sorte hul."

Selvom det kan være teoretisk stærkt, ligesom enhver anden matematisk sætning, der gælder for virkelige systemer, er konstruktionen introduceret af Cunha og Herdeiro baseret på en række antagelser. I deres fremtidige arbejde, forskerne planlægger at ændre nogle af disse antagelser og vurdere, om deres sætnings forudsigelser ændrer sig eller forbliver de samme.

"En central antagelse i vores sætning er, at der langt væk fra det sorte hul ikke er noget gravitationsfelt, " sagde Cunha og Herdeiro. "Men, i Universet er der en kosmologisk konstant, der driver udvidelsen af ​​Kosmos. Dette skaber et lille tyngdefelt, uanset hvor langt væk fra det sorte hul man er. Det ville være meget interessant at forstå, om denne lille ændring i antagelsen ville ændre vores sætnings konklusioner."

© 2020 Science X Network