Как наша Вселенная отражается в черных дырах

Астрономы разработали ряд уравнений, которые точно описывают отражения Вселенной в искривленном свете вокруг черной дыры. Расстояние между каждым отражением зависит от угла наблюдения относительно черной дыры и скорости её вращения. К этому решению пришёл студент-физик Альберт Снеппен из Нильса Бора Института в Дании в июле 2021 года.

Снеппен отметил: "Есть что-то фантастически прекрасное в понимании того, почему изображения повторяются таким элегантным образом. Кроме того, это предоставляет новые возможности для проверки нашего понимания гравитации и черных дыр".

Черные дыры известны своей экстремальной гравитацией, причем свет не может вырваться из их гравитационного поля. Прямо за пределами горизонта событий черной дыры, где гравитационное поле настолько мощное, что кривизна пространства-времени почти круговая, фотоны, попадая в это пространство, следуют этой кривизне. Это приводит к тому, что с нашей точки зрения путь света кажется искривленным и изогнутым.

На самом внутреннем крае этого пространства, непосредственно за пределами горизонта событий, можно увидеть так называемое фотонное кольцо, где фотоны вращаются вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем упасть в неё или улететь в космос. Это означает, что свет от удаленных объектов за черной дырой может увеличиваться, искажаться и отражаться несколько раз.

До работ Снеппена ученые уже знали об этом эффекте, но математически описать его было сложно. Снеппен реформулировал траекторию света и количественно оценил её линейную стабильность, используя дифференциальные уравнения второго порядка. Он не только математически описал, почему изображения повторяются на расстояниях e2π, но и показал, что это применимо к вращающейся черной дыре, причем расстояние между повторениями зависит от вращения.

Снеппен сказал: "Оказывается, когда она вращается очень быстро, вам больше не нужно приближаться к черной дыре в 500 раз, а гораздо меньше". Теоретически, должно быть бесконечное количество кольца света вокруг черной дыры. Поскольку мы уже раз получили изображение тени сверхмассивной черной дыры, со временем мы сможем получить лучшие изображения, и уже существуют планы по получению изображения фотонного кольца.

Однажды бесконечные изображения, близкие к черной дыре, могут стать инструментом для изучения не только физики пространства-времени черной дыры, но и объектов за ними, повторяющихся в бесконечных отражениях.