Dalam proses penggabungan lubang hitam supermasif, cara baru untuk mengukur ruang hampa

Para ilmuwan telah menemukan cara untuk mengukur ‘bayangan’ dari dua lubang hitam supermasif dalam proses bertabrakan, memberikan astronom alat baru yang potensial untuk mengukur lubang hitam di galaksi jauh dan menguji teori gravitasi alternatif.

Tiga tahun lalu, dunia dikejutkan oleh gambar pertama lubang hitam. Sebuah lubang hitam entah dari mana dikelilingi oleh cincin cahaya yang berapi-api. Gambar ikonik dari[{” attribute=””>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

Simulasi lensa gravitasi di sepasang lubang hitam kompak supermasif. Kredit: Jordi Devalar

Teknik ini hanya memiliki dua persyaratan. Pertama, Anda membutuhkan sepasang lubang hitam supermasif di tengah penggabungan. Kedua, Anda harus melihat pasangan di sekitar sudut samping. Dari pandangan samping ini, ketika satu lubang hitam lewat di depan lubang hitam lainnya, Anda seharusnya dapat melihat kilatan cahaya terang karena cincin bercahaya lubang hitam diperbesar oleh lubang hitam yang paling dekat dengan Anda, sebuah fenomena yang dikenal sebagai lensa gravitasi.

Efek lensa sudah diketahui dengan baik, tetapi apa yang ditemukan para peneliti di sini adalah sinyal halus: penurunan kecerahan yang khas sesuai dengan “bayangan” lubang hitam di latar belakang. Peredupan halus ini dapat berlangsung dari beberapa jam hingga beberapa hari, tergantung pada ukuran lubang hitam dan seberapa rumit orbitnya. Jika Anda mengukur berapa lama penurunan berlangsung, kata para peneliti, Anda dapat memperkirakan ukuran dan bentuk bayangan yang diciptakan oleh cakrawala peristiwa lubang hitam, titik tanpa jalan keluar, di mana tidak ada yang lolos, bahkan cahaya.

Dalam simulasi sepasang lubang hitam gabungan supermasif ini, lubang hitam yang paling dekat dengan pemirsa semakin dekat dan dengan demikian tampak biru (Kotak 1), menggembungkan lubang hitam yang bergeser merah di belakang melalui lensa gravitasi. Saat lubang hitam terdekat menguatkan cahaya lubang hitam lebih jauh (Kotak 2), pemirsa melihat kilatan cahaya terang. Tetapi ketika lubang hitam terdekat lewat di depan jurang atau bayangan lubang hitam terjauh, pengamat melihat sedikit penurunan kecerahan (Kotak 3). Penurunan kecerahan (3) ini terlihat jelas pada data kurva cahaya di bawah gambar. Kredit: Jordi Devalar

“Butuh waktu bertahun-tahun dan upaya luar biasa oleh puluhan ilmuwan untuk membuat gambar lubang hitam M87 beresolusi tinggi itu,” kata penulis pertama studi tersebut, Jordi Davilar, seorang postdoc di Columbia and the Flatiron Center for Computational Astrophysics. “Pendekatan ini hanya bekerja dengan lubang hitam terbesar dan terdekat – pasangan di inti M87 dan mungkin Bima Sakti kita.”

Dia menambahkan, “Dengan metode kami, Anda mengukur kecerahan lubang hitam dari waktu ke waktu, dan Anda tidak perlu menyelesaikan setiap objek secara spasial. Seharusnya dimungkinkan untuk menemukan sinyal ini di banyak galaksi.”

Bayangan lubang hitam adalah fitur yang paling misterius dan instruktif. “Titik gelap itu memberi tahu kita tentang ukuran lubang hitam, bentuk ruang-waktu di sekitarnya, dan bagaimana materi jatuh ke lubang hitam di dekat cakrawalanya,” kata rekan penulis Zoltan Haiman, seorang profesor fisika di Universitas Columbia.

Ketika penggabungan lubang hitam supermasif diamati dari samping, lubang hitam yang paling dekat dengan pengamat memperbesar lubang hitam lebih jauh dengan efek lensa gravitasi. Para peneliti mendeteksi penurunan kecerahan yang sesuai dengan “bayangan” lubang hitam yang jauh, memungkinkan pemirsa untuk mengukur ukurannya. Kredit: Nicoletta Barolwini

Bayangan lubang hitam mungkin menyembunyikan rahasia sifat sebenarnya dari gravitasi, salah satu kekuatan fundamental alam semesta kita. Teori gravitasi Einstein, yang dikenal sebagai relativitas umum, memprediksi ukuran lubang hitam. Oleh karena itu, fisikawan telah mencari mereka untuk menguji teori gravitasi alternatif dalam upaya untuk mendamaikan dua gagasan yang bersaing tentang cara kerja alam: relativitas umum Einstein, yang menjelaskan fenomena skala besar seperti rotasi planet dan alam semesta yang mengembang, dan fisika kuantum, yang menjelaskan bagaimana partikel kecil seperti Elektron dan foton menempati beberapa keadaan secara bersamaan.

Para peneliti menjadi tertarik untuk memicu lubang hitam supermasif selanjutnya mandor Sepasang lubang hitam supermasif yang dicurigai di pusat galaksi jauh di alam semesta awal.[{” attribute=””>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010