Astronomi su razvili skup jednačina koje mogu precizno da opišu refleksije Univerzuma koje se pojavljuju u iskrivljenoj svetlosti oko crne rupe.
Blizina svake refleksije zavisi od ugla posmatranja u odnosu na crnu rupu i brzine okretanja crne rupe, prema matematičkom rešenju koje je razvio student fizike Albert Snepen sa Instituta Niels Bor u Danskoj u julu 2021.
Ovo je bilo stvarno kul, apsolutno, ali nije bilo baš super. Takođe nam je potencijalno dao novi alat za ispitivanje gravitacionog okruženja oko ovih ekstremnih objekata.
„Postoji nešto fantastično lepo u sadašnjem razumevanju zašto se slike ponavljaju na tako elegantan način“, rekao je Snepen u izjavi za 2021.
„Povrh toga, pruža nove mogućnosti da testiramo naše razumevanje gravitacije i crnih rupa.“
Ako postoji jedna stvar po kojoj su crne rupe poznate, to je njihova ekstremna gravitacija. Konkretno, izvan određenog radijusa, najbrža dostižna brzina u Univerzumu, brzina svetlosti u vakuumu, nije dovoljna za postizanje brzine bekstva.
Ta tačka bez povratka je horizont događaja – definisan onim što se zove Švarcšildov radijus – i to je razlog zašto kažemo da čak ni svetlost ne može pobeći iz gravitacije crne rupe.
Međutim, neposredno izvan horizonta događaja crne rupe, okruženje je takođe ozbiljno narušeno. Gravitaciono polje je toliko snažno da je zakrivljenost prostor-vremena gotovo kružna.
Svaki fotoni koji uđu u ovaj prostor će, naravno, morati da prate ovu krivinu. To znači da, iz naše perspektive, put svetlosti izgleda iskrivljen i savijen.
Na samoj unutrašnjoj ivici ovog prostora, odmah izvan horizonta događaja, možemo videti ono što se zove fotonski prsten, gde fotoni putuju u orbiti oko crne rupe više puta pre nego što padnu prema crnoj rupi ili pobegnu u svemir.
To znači da svetlost udaljenih objekata iza crne rupe može biti uvećana, izobličena i „odbijena“ nekoliko puta. Ovo nazivamo gravitacionim sočivom; efekat se takođe može videti u drugim kontekstima i predstavlja koristan alat za proučavanje Univerzuma.
Dakle, znamo za efekat već neko vreme, a naučnici su zaključili da što bliže pogledate prema crnoj rupi, to ćete više odraza udaljenih objekata.
Da biste prešli sa jedne slike na sledeću, trebalo je da pogledate oko 500 puta bliže optičkoj ivici crne rupe, ili eksponencijalnoj funkciji dva pi (e 2π), ali zašto je to bio slučaj bilo je teško matematički opisati.
Snepenov pristup je bio da preformuliše putanju svetlosti i kvantifikuje njenu linearnu stabilnost, koristeći diferencijalne jednačine drugog reda. Otkrio je ne samo da njegovo rešenje matematički opisuje zašto se slike ponavljaju na rastojanjima od e 2π, već i da bi moglo da funkcioniše za rotirajuću crnu rupu – a ta razdaljina ponavljanja zavisi od spina.
„Ispostavilo se da kada se rotira veoma brzo, više ne morate da se približavate crnoj rupi za faktor od 500, već znatno manje“, rekao je Snepen. „U stvari, svaka slika je sada samo 50, ili pet, ili čak do samo dva puta bliže ivici crne rupe.“
U praksi, ovo će biti teško primetiti, barem u skorije vreme – samo pogledajte intenzivnu količinu posla koji je uložen u nerešenu sliku prstena svetlosti oko supermasivne crne rupe Povehi (M87*).
Teoretski, međutim, oko crne rupe bi trebalo da postoje beskonačni prstenovi svetlosti. Pošto smo jednom snimili senku supermasivne crne rupe, nadamo se da je samo pitanje vremena kada ćemo moći da dobijemo bolje slike, a već postoje planovi za snimanje fotonskog prstena.
Jednog dana, beskonačne slike blizu crne rupe mogle bi da budu alat za proučavanje ne samo fizike prostor-vremena crne rupe, već i objekata iza njih – koji se ponavljaju u beskonačnim refleksijama u orbitalnoj večnosti.
