Представете си галактика, отразена в зала с криви огледала. Ще видите галактиката, повтаряща се отново и отново, като всяко изображение става все по-гротескно и изкривено. Така изглежда Вселената близо до хоризонта на събитията на черна дупка, едно от най-изкривените места в космоса, пише астрофизикът Пол Сътър в Live Science.

Макар физиците да са имали и преди някои идеи за това как изглеждат такива региони, ново изчисление показва точно какво бихте видели около черните дупки, отваряйки потенциални нови начини за тестване на общата теория на относителността на Айнщайн .

Обикаля и обикаля

Районът близо до черна дупка наистина е много странен. Погледът директно към тежкия обект не би дал на очите ви много - светлинните лъчи се поглъщат от хоризонта на събитията на черната дупка, точката, в която нищо никога не може да избегне нейното огромно гравитационно влияние.

Но ако поставите галактика зад черната дупка и след това да погледнете встрани, ще видите изкривено изображение на галактиката. Това е така, защото едва малко светлина от галактиката би пресекла краищата на черната дупка, без да падне в нея.

Поради екстремната гравитация на черната дупка, такава светлина ще се огъне към вашата линия на видимост. Странно е, че галактиката изглежда далеч от черната дупка, а не точно зад нея.

Гравитацията около черните дупки е толкова интензивна, а пространство-времето е толкова невероятно изкривено, че на определено разстояние самата светлина може да обикаля около черните дупки. Част от светлината от фонова галактика дори попада в капан, зацикляйки се завинаги.

Светлината обаче ще трябва да достигне точното разстояние от черната дупка, за да попадне в капана и да започне да обикаля в орбита. Тя може също да достигне черната дупка под ъгъл, който му позволява да направи една (или много) обиколки, преди в крайна сметка да напусне орбитата.

Гледайки ръба на черната дупка, очите ви ще видят едно изображение на фоновата галактика от нейната отклонена светлина. След това ще видите второ изображение на галактиката от светлинни лъчи, които са успели да направят една орбита преди да я напуснат, и след това отново от светлинни лъчи, които са направили две орбити, а след това три и така нататък.

От десетилетия физиците знаят простата формула, че всяко изображение е e ^ 2𝜋 пъти по-близо от предишното.

В тази формула e е основата на естествения логаритъм - неперовото число, и е равна на приблизително 2.7182. Pi е друго ирационално число, което е около 3,14159, така че e ^ 2𝜋 е число много близо до 500. Това означава, че всяко следващо повторение на един и същ фонов обект е около 500 пъти по-близо до ръба на черната дупка от предишното.

По трудния начин

Макар физиците биха могли да получат този прост резултат, използвайки изчисления с писалка и хартия, те не бяха сигурни дали този специален фактор от 500 ще бъде напълно точен, ако разгледат отблизо поведението на сложната кривина на пространство-времето близо до черните дупки.

В резултатите, публикувани в ново проучване, Алберт Снепен, студент в Института на Нилс Бор в Университета в Копенхаген в Дания, използва числени методи за симулиране на физиката на светлинните лъчи, които се движат в орбита (и я напускат) в близост до черните дупки. Той потвърди, че фактор 500 остава същият при изключително точно изчисление. Резултатите му са публикувани в списание Scientific Reports.

"Има нещо фантастично красиво в разбирането защо изображенията се повтарят по толкова елегантен начин", каза Снепен.

Снепен открива, че коефициентът 500 се прилага само за опростени, неподвижни черни дупки. Черните дупки в реалната вселена се въртят, което променя начина, по който светлината ги обикаля, което от своя страна променя разстоянието между изображенията.

"Оказва се, че когато се върти наистина бързо, вече не трябва да се доближавате до черната дупка с коефициент 500, а значително по-малко", каза Снепен. "Всъщност всяко изображение сега е само 50, или пет, или дори само до два пъти по-близо до ръба на черната дупка."

Тъй като въртенето на черната дупка усуква пространство-времето около нея, всяко следващо изображение на фоновия обект изглежда по-плоско. По този начин, най-отдалеченото изображение ще изглежда сравнително неизкривено, докато най-близкото изображение може да бъде напълно неузнаваемо.

В залата с криви огледала

Технически има безкраен брой повтарящи се изображения на фонови обекти, всеки по-близо до хоризонта на събитията. На практика хората може никога да не ги видят, защото само няколко биха били достъпни, дори и с най-мощните телескопи.

Но тези няколко биха дали мощна перспектива в сърцето на общата теория на относителността, математическата теория, която описва гравитацията.

През 2019 г. телескопът Event Horizon, мрежа от телескопи, обхващащи целия свят, генерира първото изображение на "сянката" на черна дупка, хвърлена върху околните газове и прах. Този телескоп не беше достатъчно мощен, за да заснеме множеството огледални изображения на фонови обекти, но бъдещите телескопи биха могли.

Сравняването на това как обектите от реалния свят се различават от това, което очакваме от изчисленията, като тези на Снепен, ще осигури безпрецедентен тест за общата теория на относителността. Ако например има свръхнова - свръхмощна експлозия на умираща звезда зад черната дупка, бихме видели няколко избухвания на свръхновата. Всяко изображение ще се забави с определено време, в зависимост от това колко пъти е обиколило черната дупка, което ще позволи на изследователите да сравнят своите теории с реалността.

Просто трябва да сме готови да се взираме в празнотата достатъчно дълго.