Нове дослідження показує, що майбутні зображення чорних дір з високою роздільною здатністю можуть остаточно визначити, чи теорія гравітації Альберта Ейнштейна, загальна теорія відносності, точно описує ці космічні об’єкти – чи потрібні альтернативні теорії. Телескоп Event Horizon Telescope (EHT), який вперше зробив зображення чорних дір у 2019 та 2022 роках, відкрив нову еру спостережної астрофізики. Але навіть ці зображення, які підтверджують багато передбачень загальної теорії відносності, підвищують можливість виявлення незначних відхилень, які можуть вказувати на більш повне розуміння гравітації.
Тінь сумніву
EHT не фотографує безпосередньо чорні діри. Натомість він фіксує інтенсивне світіння перегрітої матерії, що обертається навколо цих об’єктів, створюючи темну «тінь», яка окреслює горизонт подій — точку неповернення, де гравітація стає нестримною. Останні дослідження показують, що детальний аналіз цих тіней може виявити крихітні розбіжності з прогнозами Ейнштейна.
«Ми розробили спосіб порівняти зображення гарячого газу навколо чорних дір, передбачені загальною теорією відносності, з зображеннями, передбаченими альтернативними теоріями», — пояснює Ахіл Уніял з Шанхайського університету транспорту, провідний автор дослідження. «Реалістичне моделювання показує, що навіть невеликі відмінності в основній гравітації можна буде виявити зі збільшенням роздільної здатності зображення».
Спадщина Ейнштейна: спотворений простір-час
Загальна теорія відносності Ейнштейна, опублікована в 1915 році, революціонізувала наше розуміння гравітації. На відміну від ідеї Ньютона про гравітацію як силу, Ейнштейн припустив, що масивні об’єкти спотворюють структуру простору та часу, створюючи гравітаційні ефекти, які ми спостерігаємо. Це викривлення стає екстремальним поблизу чорних дір, де гравітація настільки сильна, що навіть світло не може вирватися.
Концепція чорних дір виникла з рівнянь Ейнштейна в 1916 році завдяки роботі Карла Шварцшильда. Ці рішення показали, що в центрі чорної діри лежить сингулярність — точка, де порушуються закони фізики. Сингулярність оточує горизонт подій — межа, за яку ніщо не може вийти.
Поза Ейнштейном: у пошуках альтернатив
Незважаючи на те, що загальна теорія відносності пройшла незліченну кількість тестів, вчені давно припускали, що це може бути не повна історія. Деякі альтернативні теорії припускають, що чорні діри можуть не мати сингулярності або що їх можна описати більш складною фізикою. Ці теорії часто вимагають екзотичної матерії або порушення відомих законів.
«Загалом кажучи, існують стандартні чорні діри, що обертаються, описані загальною теорією відносності, а потім багато альтернатив, мотивованих різними теоріями», — каже Уніял. «Усі ці альтернативи складніші, ніж запропоновані Ейнштейном, але залишаються теоретично життєздатними, доки їх не спростують».
Як тіні розкривають правду
Ключ до тестування цих альтернатив полягає в точному вимірюванні тіней чорної діри. Невеликі збурення основної гравітації призведуть до незначних змін у розмірі та формі тіні, а також у тому, як світло огинається навколо чорної діри.
«Тінь чорної діри кодує геометрію простору-часу дуже близько до компактного об’єкта», — пояснює Уніял. «Невеликі відхилення в метриці призводять до невеликих, систематичних змін у розмірі та формі тіні та у тому, як навколо неї утворюються світлові кільця».
Дослідження показує, що навіть якщо відмінності між загальною теорією відносності та альтернативними теоріями невеликі, вони стануть помітними зі збільшенням роздільної здатності зображення. Дослідники навіть кількісно оцінили ці відмінності, забезпечивши конкретні цілі для майбутніх обсерваторій.
Майбутнє зображень чорних дір
Наступні кроки включають покращення якості зображень чорних дір шляхом додавання нових телескопів до мережі EHT та вивчення космічної інтерферометрії. Зі збільшенням роздільної здатності зростатиме здатність розрізняти загальну теорію відносності та альтернативні теорії.
«Наші результати показують, що якими б не були чорні діри, відмінності будуть невеликими, тому будуть потрібні дуже точні вимірювання», — говорить Уніял. «На щастя, ці спостереження стануть можливими в недалекому майбутньому».
Це дослідження підкреслює силу спостережної астрофізики для перевірки фундаментальних теорій фізики. Оскільки зображення чорних дір еволюціонують, незабаром ми можемо отримати остаточну відповідь на питання, чи залишається теорія Ейнштейна остаточним описом гравітації.
