معادلات ریاضی بازتاب سیاهچاله‌ ها از کیهان را توصیف می‌کند

ستاره شناسان مجموعه ای از معادلات را توسعه دادند که می تواند دقیقاً بازتاب های کیهان را که در نور تاب خورده اطراف یک سیاهچاله ظاهر می شود، توصیف کند.بازتاب کیهان سیاه جاله

به گزارش تکناک، بر اساس یک راه حل ریاضی که توسط دانشجوی فیزیک آلبرت اسنپن از موسسه نیلز بور دانمارک در جولای 2021 انجام شد، نزدیکی هر بازتاب به زاویه مشاهده نسبت به سیاهچاله و سرعت چرخش سیاهچاله بستگی دارد. این اتفاق همچنین به طور بالقوه ابزار جدیدی برای کاوش در محیط گرانشی اطراف این اجسام شدید به ما داد.

اگر یک چیز وجود داشته باشد که سیاهچاله ها به آن معروف هستند، گرانش شدید آنهاست. به ویژه اینکه فراتر از یک شعاع معین، سریعترین سرعت قابل دستیابی در جهان، یعنی سرعت نور در خلاء، برای رسیدن به سرعت فرار کافی نیست.

آن نقطه بدون بازگشت، افق رویداد است که با آنچه شعاع شوارشیلد نامیده می شود تعریف می شود و به همین دلیل است که می گوییم حتی نور نمی تواند از گرانش سیاهچاله فرار کند.

با این حال، درست خارج از افق رویداد سیاهچاله، محیط نیز به طور جدی متزلزل است. میدان گرانشی آنقدر قدرتمند است که انحنای فضا-زمان تقریبا دایره ای است.

هر فوتونی که وارد این فضا شود، طبیعتاً باید از این انحنا پیروی کند. این بدان معنی است که از دیدگاه ما، مسیر نور به نظر تابیده و خمیده است.

در لبه درونی این فضا، درست خارج از افق رویداد، می‌توانیم چیزی را ببینیم که حلقه فوتون نامیده می‌شود، جایی که فوتون‌ها قبل از سقوط به سمت سیاهچاله یا فرار به فضا، چندین بار در مدار سیاهچاله حرکت می‌کنند.

این بدان معنی است که نور اجسام دور در پشت سیاهچاله می تواند چندین بار بزرگ شده، اعوجاج و بازتاب شود. ما از آن به عنوان یک عدسی گرانشی یاد می کنیم. این اثر را می توان در زمینه های دیگر نیز مشاهده کرد و ابزار مفیدی برای مطالعه جهان است.

بنابراین ما مدتی است که در مورد این اثر می‌دانیم و دانشمندان دریافته بودند که هر چه به سیاه‌چاله نزدیک‌تر نگاه کنید، بازتاب‌های بیشتری از اجرام دورتر مشاهده می‌کنید.

برای رسیدن از یک تصویر به تصویر بعدی، باید حدود 500 برابر به لبه نوری سیاهچاله یا تابع نمایی دو پی (e2π) نزدیکتر نگاه کنید، اما توصیف ریاضی چرایی این امر دشوار بود.

رویکرد اسنپن این بود که مسیر نور را مجدداً فرموله کند و پایداری خطی آن را با استفاده از معادلات دیفرانسیل مرتبه دوم تعیین کند. او متوجه شد که نه تنها راه حل او به صورت ریاضی دلیل تکرار تصاویر در فواصل e2π را توصیف می کند، بلکه می تواند برای یک سیاهچاله در حال چرخش کار کند و این فاصله تکرار به چرخش بستگی دارد.

سنپن می‌گوید: به نظر می‌رسد که وقتی واقعاً سریع می‌چرخد، دیگر لازم نیست با ضریب 500 به سیاه‌چاله نزدیک‌تر شوید، بلکه این مقیاس به میزان قابل توجهی کمتر شده است. در واقع، هر تصویر اکنون تنها 50، یا 5 یا حتی تا دو برابر نزدیک‌تر به لبه سیاه‌چاله است.

در عمل، مشاهده این موضوع، حداقل به زودی، دشوار خواهد بود. کافی است به میزان کار شدیدی که برای تصویربرداری حل نشده از حلقه نور در اطراف سیاهچاله کلان جرم Pōwehi (M87*) انجام شده است، نگاه کنید.بازتاب کیهان سیاه جاله

با این حال، از نظر تئوری، باید حلقه های نوری بی نهایت در اطراف یک سیاهچاله وجود داشته باشد. از آنجایی که ما یک بار از سایه یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم تصویربرداری کرده‌ایم، امیدواریم بتوانیم تصاویر بهتری به دست آوریم، فقط مسئله زمان است و در حال حاضر برنامه‌هایی برای تصویربرداری از یک حلقه فوتون وجود دارد.

یک روز، تصاویر بی نهایت نزدیک به یک سیاهچاله می تواند ابزاری برای مطالعه نه تنها فیزیک فضا و زمان سیاهچاله، بلکه اجرام پشت آنها باشد  که در انعکاس های بی نهایت در ابدیت مداری تکرار می شوند.(این تحقیق در Scientific Reports منتشر شده است.)