Новые исследования показывают, что будущие изображения чёрных дыр с высоким разрешением могут окончательно определить, точно ли теория гравитации Альберта Эйнштейна, общая теория относительности, описывает эти космические объекты — или нужны альтернативные теории. Телескоп Event Horizon Telescope (EHT), который впервые запечатлел изображения чёрных дыр в 2019 и 2022 годах, открыл новую эру наблюдательной астрофизики. Но даже эти изображения, подтверждающие многие предсказания общей теории относительности, поднимают возможность обнаружения тонких отклонений, которые могут указывать на более полное понимание гравитации.
Тень Сомнения
EHT не фотографирует чёрные дыры напрямую. Вместо этого он фиксирует интенсивное свечение перегретой материи, вращающейся вокруг этих объектов, создавая тёмную «тень», очерчивающую горизонт событий — точку невозврата, где гравитация становится неудержимой. Последнее исследование предполагает, что детальный анализ этих теней может выявить крошечные расхождения с предсказаниями Эйнштейна.
«Мы разработали способ сравнения изображений горячего газа вокруг чёрных дыр, предсказанных общей теорией относительности, с теми, что предсказываются альтернативными теориями, — объясняет Ахил Униял из Шанхайского транспортного университета, ведущий автор исследования. — Реалистичные симуляции показывают, что даже небольшие различия в лежащей в основе гравитации станут обнаружимыми по мере повышения разрешения изображений».
Наследие Эйнштейна: Искажённое Пространство-Время
Теория Эйнштейна об общей теории относительности, опубликованная в 1915 году, произвела революцию в нашем понимании гравитации. В отличие от ньютоновского представления о гравитации как о силе, Эйнштейн предложил, что массивные объекты искажают структуру пространства и времени, создавая наблюдаемые нами гравитационные эффекты. Это искажение становится экстремальным вблизи чёрных дыр, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться.
Концепция чёрных дыр возникла из уравнений Эйнштейна в 1916 году благодаря работе Карла Шварцшильда. Эти решения показали, что в сердце чёрной дыры лежит сингулярность — точка, где законы физики разрушаются. Окружает сингулярность горизонт событий — граница, за которую ничто не может вырваться.
За Пределами Эйнштейна: Поиск Альтернатив
Хотя общая теория относительности прошла бесчисленные тесты, учёные давно предполагали, что она может быть неполной историей. Некоторые альтернативные теории предполагают, что чёрные дыры могут не иметь сингулярностей или что их можно описать более сложной физикой. Эти теории часто требуют экзотической материи или нарушения известных законов.
«В широком смысле есть стандартные вращающиеся чёрные дыры, описанные общей теорией относительности, а затем множество альтернатив, мотивированных различными теориями, — говорит Униял. — Все эти альтернативы сложнее, чем предложенные Эйнштейном, но остаются теоретически жизнеспособными, пока не будут опровергнуты».
Как Тени Раскрывают Истину
Ключ к проверке этих альтернатив заключается в точном измерении теней чёрных дыр. Небольшие отклонения в лежащей в основе гравитации приведут к тонким изменениям в размере и форме тени, а также в том, как свет изгибается вокруг чёрной дыры.
«Тень чёрной дыры кодирует геометрию пространства-времени очень близко к компактному объекту, — объясняет Униял. — Небольшие отклонения метрики приводят к небольшим, систематическим изменениям в размере и форме тени и в том, как формируются световые кольца вокруг неё».
Исследование показывает, что даже если различия между общей теорией относительности и альтернативными теориями малы, они станут обнаружимыми по мере повышения разрешения изображений. Исследователи даже количественно оценили эти различия, предоставив конкретные цели для будущих обсерваторий.
Будущее Изображений Чёрных Дыр
Следующие шаги включают улучшение качества изображений чёрных дыр за счёт добавления новых телескопов в сеть EHT и изучения космической интерферометрии. По мере повышения разрешения способность различать общую теорию относительности и альтернативные теории будет усиливаться.
«То, что показывают наши результаты, заключается в том, что какими бы ни были чёрные дыры, различия будут небольшими, поэтому потребуются очень точные измерения, — говорит Униял. — К счастью, эти наблюдения будут возможны в не слишком далёком будущем».
Это исследование подчёркивает силу наблюдательной астрофизики в тестировании фундаментальных теорий физики. По мере развития изображений чёрных дыр мы можем вскоре получить окончательный ответ на вопрос, остаётся ли теория Эйнштейна конечным описанием гравитации.
