Astronomi zabeležili svetlost iza supermasivne crne rupe — direktan test Ajnštajna

Astronomi su pomoću XMM-Newton i NuSTAR teleskopa otkrili odložene X-zračne bljeskove koji potiču sa udaljene strane akrecionog diska oko supermasivne crne rupe u galaksiji I Zw 1. Ti fotoni nisu potekli iz unutrašnjosti horizonta događaja, već su bili skrenuti jakom gravitacijom crne rupe i na taj način dospeli u pravcu Zemlje — potvrda dugogodišnje predikcije opšte teorije relativnosti.

Light echoes from behind a black hole. (CREDIT: ESA)

Šta su posmatranja pokazala?

Tokom kampanje iz januara 2020. (NuSTAR je pratio objekat kontinuirano 5,3 dana, a XMM-Newton u dve duže sesije), istraživači su zabeležili dva velika X-zračna flara (~10.000 s svaki) čija je intenzivnost porasla do ~2,5 puta u odnosu na ranju srednju vrednost. Kako su ti flares jenjavali, pojavili su se manji, vremenski pomereni pikovi u različitim energetskim opsezima.

Delayed X-ray flashes showed light from a hidden accretion disk bending around a black hole, revealing relativity in action. (CREDIT: ESA)

Vremenski i energetski potpis

Serija kašnjenja i energetska svojstva tačno su odgovarala predviđanjima za reverberaciju: prvo su stizali plavo-pomerene (blueshifted) komponente gvozdene K-linije, a potom crveno-pomerene (redshifted). Tim je izmerio prosečno kašnjenje reverberacije gvozdene K-linije od 746 ± 157 s. Statistička analiza ukazuje na malo verovatnoću (<0,01%) da je ovaj obrazac nastao slučajno ili kao posledica običnih šumova.

Schematic of the X-ray reverberation model. (CREDIT: Dan Wilkins et al, Nature)

Kako to funkcioniše?

Prema opštoj teoriji relativnosti, masivna tela poput crne rupe veoma jakom zakrivljenošću prostor-vremena menjaju putanje fotona. Deo X-zraka iz korone pada na dalju, skriveniju stranu akrecionog diska, odbija se i zatim je gravitaciono savijen oko crne rupe prema Zemlji. Gravitaciono sočivanje (lensing) dodatno je pojačalo deo tog zračenja. Važno: fotoni nisu prošli kroz horizont događaja — potekli su izvan njega.

Features of the reverberation response function detected during the X-ray flares. (CREDIT: Dan Wilkins et al, Nature)

Šta ovo znači za razumevanje korone i unutrašnjih regione?

Rezultati omogućavaju direktniji pregled geometrije korone — veoma vrele zone energizovanih čestica blizu crne rupe — i mapiranje delova akrecionog diska na udaljenostima reda veličine nekoliko gravitacionih radijusa od horizonta događaja. Posmatranje potvrđuje teorijska modelovanja iz 1999. i kasnijih studija koja su predviđala kako se reflektovana gvozdena linija menja u vremenu i energiji oko rotirajućih crnih rupa.

The soft and hard X-ray spectra of I Zw 1 obtained by XMM-Newton and NuSTAR during the 2020 observations. (CREDIT: Dan Wilkins et al, Nature)

"Svaka svetlost koja uđe u crnu rupu više ne izlazi, tako da ne bismo smeli da možemo da vidimo ništa što je iza crne rupe," rekao je Dan Wilkins iz Stanforda, objašnjavajući koliko je zapaženi efekat iznenađujući — ali dosledan relativističkim predviđanjima.

Studija, vođena istraživačima sa Stanford University i SLAC National Accelerator Laboratory, objavljena je u časopisu Nature. Posmatranja su važan korak ka detaljnijem razumevanju dinamike korone, relativističke refleksije i unutrašnjih regiona aktivnih galaktičkih jezgara.

Za kraj

Iako nisu "fotografisali zadnju stranu" crne rupe u uobičajenom smislu, vremenski i energetski potpis koji su detektovali jasno odgovara modelima u kojima ekstremna gravitacija preusmerava i pomera svetlost, otvarajući novi prozor za ispitivanje najbližih okolnosti crnih rupa.