Ny NASA-visualisering undersøger den lysbøjende dans af binære sorte huller

Et par kredsende sorte huller millioner af gange Solens masse udfører en hypnotisk pas de deux i en ny NASA-visualisering. Filmen sporer, hvordan de sorte huller forvrænger og omdirigerer lys, der kommer fra malstrømmen af ​​varm gas - kaldet en tilvækstskive - der omgiver hver enkelt.

Set fra nær baneplanet, hver accretion disk får et karakteristisk dobbeltpuklet udseende. Men når den ene passerer foran den anden, tyngdekraften af ​​det sorte hul i forgrunden forvandler dets partner til en hurtigt skiftende sekvens af buer. Disse forvrængninger udspiller sig, når lys fra begge diske navigerer i det sammenfiltrede stof af rum og tid nær de sorte huller.

"Vi ser to supermassive sorte huller, en større med 200 millioner solmasser og en mindre ledsager, der vejer halvt så meget, " sagde Jeremy Schnittman, en astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, hvem der har lavet visualiseringen. "Dette er den slags sorte huls binære systemer, hvor vi tror, ​​at begge medlemmer kan opretholde accretion disks, der varer millioner af år."

Accretion disks har forskellige farver, rød og blå, for at gøre det nemmere at spore lyskilderne, men valget afspejler også virkeligheden. Varmere gas afgiver lys tættere på den blå ende af spektret, og materiale, der kredser om mindre sorte huller, oplever stærkere gravitationseffekter, der producerer højere temperaturer. For disse masser, begge accretion disks ville faktisk udsende det meste af deres lys i UV, med den blå skive, der når en lidt højere temperatur.

Visualiseringer som denne hjælper videnskabsmænd med at forestille sig de fascinerende konsekvenser af ekstrem tyngdekrafts funhouse-spejl. Den nye video fordobles i forhold til en tidligere Schnittman producerede, der viser et ensomt sort hul fra forskellige vinkler.

Set næsten på kanten, accretion disks ser mærkbart lysere ud på den ene side. Gravitationsforvrængning ændrer lysets veje fra forskellige dele af skiverne, frembringer det skæve billede. Den hurtige bevægelse af gas nær det sorte hul ændrer diskens lysstyrke gennem et fænomen kaldet Doppler-boosting - en effekt af Einsteins relativitetsteori, der lysner den side, der roterer mod beskueren, og dæmper siden, der drejer væk.

Visualiseringen viser også et mere subtilt fænomen kaldet relativistisk aberration. De sorte huller fremstår mindre, når de nærmer sig beskueren og større, når de bevæger sig væk.

Disse effekter forsvinder, når man ser systemet fra oven, men nye funktioner dukker op. Begge sorte huller producerer små billeder af deres partnere, der kredser omkring dem hver gang. Ser man nærmere, det er tydeligt, at disse billeder faktisk er kantudsigter. For at producere dem, lys fra de sorte huller skal omdirigeres 90 grader, hvilket betyder, at vi observerer de sorte huller fra to forskellige perspektiver – ansigt på og kant på – på samme tid.

"Et slående aspekt af denne nye visualisering er den selvlignende karakter af billederne produceret af gravitationslinser, Schnittman forklarede. "Zooming ind i hvert sort hul afslører flere, stadig mere forvrængede billeder af sin partner."

Schnittman skabte visualiseringen ved at beregne stien taget af lysstråler fra tilvækstskiverne, mens de tog sig vej gennem den skæve rumtid omkring de sorte huller. På en moderne stationær computer, de nødvendige beregninger for at lave filmbillederne ville have taget omkring et årti. Så Schnittman gik sammen med Goddard-dataforskeren Brian P. Powell for at bruge Discover-supercomputeren på NASA Center for Climate Simulation. Bruger kun 2 % af Discovers 129, 000 processorer, disse beregninger tog omkring en dag.

Astronomer forventer, at i en ikke alt for fjern fremtid, de vil være i stand til at detektere gravitationsbølger - krusninger i rum-tid - produceret, når to supermassive sorte huller i et system meget som det Schnittman afbildede spiraler sammen og smelter sammen.