Svarta hål, regioner i rymden med ett så intensivt gravitationsfält att ingen materia eller strålning kan fly från dem, är bland de mest mystiska och fascinerande kosmologiska fenomenen. Under de senaste fem åren eller så, astrofysiker samlade de första observationerna av de starka gravitationskrafterna runt svarta hål.

LIGO-Virgo-samarbetet kunde detektera gravitationsvågor runt dessa himlaobjekt med några av de mest avancerade gravitationsvågsdetektorerna i världen. Under tiden, forskargruppen Event Horizon Telescope tog den allra första bilden av ett svart håls skugga.

Även om båda dessa observationer är mycket lovande och fängslande, ingen av dem kommer sannolikt att avslöja händelsehorisonten, gränsen som definierar det specifika området i rymden runt ett svart hål från vilket ingenting kan fly. Ändå, de bör innehålla en signatur som pekar mot en angränsande region strax utanför händelsehorisonten, varvid ljus böjs så kraftigt att dess väg sluter sig över sig själv och bildar cirkulära banor som kallas ljusringar.

Att studera dessa ljusringar kan i slutändan berika vår nuvarande förståelse av svarta hål och deras egenskaper. Än så länge, dock, många frågor förblir obesvarade, och vi är fortfarande långt ifrån att få en god förståelse för både svarta hål och ljusringarna som omger dem.

Forskare vid Max Planck-institutet för gravitationsfysik i Tyskland och Universidade de Aveiro i Portugal har nyligen introducerat ett teorem som gör förutsägelser om ljusringarna runt stationära svarta hål. Deras teorem, presenteras i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , föreslår att svarta hål i jämvikt måste, som en generell regel, har minst en ljusring i var och en av deras rotationsriktning.

"Anmärkningsvärt nog, egenskaperna hos ljusringar kan koda mycket relevant information om svarta hål, "Pedro Cunha och Carlos Herdeiro, de två forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e-post. "Att mäta dessa egenskaper ger ett direkt fönster in i den svårfångade och ändå ganska okända regimen med mycket stark gravitation nära ett svart hål. För närvarande är det fortfarande oklart om Einsteins allmänna relativitetsteori förblir en bra beskrivning av gravitationslagarna under sådana extrema förhållanden. Därför en nyckelfråga är:gör någon svart hålsmodell, i någon teori om gravitation, behöver du ha en ljusring?"

Enligt den allmänna relativitetsteorin, egenskaperna hos svarta hål i ett tillstånd av jämvikt och i tomt utrymme är mycket begränsade. Tidigare kosmologiska observationer tyder på att dessa klassiska svarta hål har ljusringbanor, vilket skulle kunna innebära att alla tänkbara svarta hål också skulle ha dessa banor.

Med sin studie, Cunha och Herdeiro försökte undersöka möjligheten att extrapolera begreppet ljusringbanor och tillämpa det på svarta hål med generiskt materialinnehåll eller på alternativa teorier om gravitation (d.v.s. inte den allmänna relativitetsteorin). Den nya satsen de utarbetade ger en solid teoretisk grund för förutsägelsen att generiska svarta hål för jämvikt måste ha minst en ljusringbana.

"I vår tidning, vi introducerar ett generiskt och matematiskt innovativt argument som slår fast att ett svart jämviktshål verkligen måste ha, i regel, minst en standardljusring i varje rotationsriktning, " sa Cunha och Herdeiro. "För att analysera ljusringar, vanligtvis, man betraktar familjer av lösningar av en given gravitationsteori, som allmän relativitetsteori, eller någon speciell modell av modifierad gravitation. Här, dock, argumentet är av topologisk natur."

Topologi är ett specifikt område inom matematiken som fokuserar på studiet av geometriska egenskaper som inte påverkas när ett föremål genomgår deformationer eller andra förändringar i form och storlek. Nyckeltanken bakom topologistudier är att vissa problem inte påverkas av objektens exakta form och storlek, utan snarare genom det sätt på vilket dessa föremål kan deformeras till varandra.

"Som ett enkelt exempel, en sfär och en munk har olika antal hål och är topologiskt distinkta, " förklarade forskarna. "Däremot, en sfär och en kub har samma topologi, trots att de har olika geometriska former."

I deras tidning, Cunha och Herdeiro tillämpar topologibaserade konstruktioner på frågan om det finns en ljusringbana runt ett svart hål. Istället för att använda rörelseekvationer från en specifik gravitationsteori för att försöka svara på denna fråga, deras teorem undersöker helt enkelt hur rumtiden ska bete sig både nära ett svart hål och långt bort från det.

"Med andra ord, vi antar inte att en tyngdlag är korrekt, men anta bara att den korrekta tyngdlagen (dvs. vad det än är) tillåter förekomsten av svarta hål, " sade Cunha och Herdeiro. "Då, tvingar rumtidsstrukturen att följa vissa regelbundenhetskrav, förekomsten av ett svart hål innebär att det måste finnas en ljusring utanför horisonten. Faktiskt, ett roterande svart hål måste ha minst två ljusringar:en för ljus som cirkulerar det svarta hålet i samma rotationsriktning som det svarta hålet och en annan för ljus som cirkulerar det svarta hålet i motsatt riktning."

Den färska artikeln av Cunha och Herdeiro ger ett nytt teoretiskt perspektiv som skulle kunna tjäna som grund för ytterligare studier som undersöker ljusringar runt svarta hål. Dess främsta fördel är dess allmänhet, då den inte följer någon specifik gravitationsteori och därmed håller även om Einsteins allmänna relativitetsteori inte var tillämplig eller korrekt i detta sammanhang.

"Förutsägelsen att svarta hål alltid har ljusa ringar och att de alltid är utanför horisonten har viktiga konsekvenser, " säger Cunha och Herdeiro. "Till exempel, det antyder att siluetten av ett svart hål, känd som det svarta hålets skugga, är generiskt annorlunda och vanligtvis större än vad man kan förvänta sig att storleken på själva det svarta hålet är. Så skuggan ska alltid vara en förstoring av det svarta hålet."

Även om det kan vara teoretiskt starkt, precis som alla andra matematiska teorem som gäller verkliga system bygger konstruktionen som introducerades av Cunha och Herdeiro på en serie antaganden. I deras framtida arbete, forskarna planerar att ändra några av dessa antaganden och bedöma om deras teorems förutsägelser ändras eller förblir desamma.

"Ett nyckelantagande i vår teorem är att långt borta från det svarta hålet finns det inget gravitationsfält, " sade Cunha och Herdeiro. "Men, i universum finns det en kosmologisk konstant som driver utvidgningen av kosmos. Detta skapar ett litet gravitationsfält oavsett hur långt bort från det svarta hålet man är. Det skulle vara mycket intressant att förstå om denna lilla förändring i antagande skulle ändra vår sats slutsatser."

© 2020 Science X Network