เปลวไฟจากหลุมดำไบนารีมวลมหาศาล OJ 287 ทำให้เกิดข้อจำกัดใน "ทฤษฎีบทไม่มีขน"

ของนาซ่า หอดูดาวอินฟราเรดสปิตเซอร์เพิ่งสังเกตเห็นแสงแฟลร์จากดาวคู่ขนาดยักษ์ หลุมดำ ระบบ OJ 287 ภายในช่วงเวลาที่คาดการณ์ไว้โดยแบบจำลองที่พัฒนาโดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ การสังเกตการณ์นี้ได้ทดสอบแง่มุมต่างๆ ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป "ทฤษฎีบทไม่มีเส้นผม" และพิสูจน์ว่า OJ 287 เป็นแหล่งกำเนิดของอินฟราเรดจริงๆ คลื่นความโน้มถ่วง.

พื้นที่ อจ.287 กาแล็กซีซึ่งอยู่ในกลุ่มดาวมะเร็งซึ่งอยู่ห่างจากโลก 3.5 พันล้านปีแสง มี XNUMX ดวง หลุมดำ – อันที่ใหญ่กว่าด้วยจำนวนมากกว่า 18 พันล้านเท่า มวล ของดวงอาทิตย์และการโคจรรอบนี้มีขนาดเล็กลง หลุมดำ ด้วยความเร็วประมาณ 150 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ มวลและพวกมันก็กลายเป็นเลขฐานสอง หลุมดำ ระบบ. ในขณะที่โคจรรอบอันที่ใหญ่กว่านั้นก็เล็กกว่า หลุมดำ ชนผ่านดิสก์ก๊าซและฝุ่นที่สะสมไว้จำนวนมหาศาลที่อยู่รอบข้างที่ใหญ่กว่าของมัน ทำให้เกิดแสงวาบที่สว่างกว่าล้านล้าน ดาว.

ยิ่งมีขนาดเล็ก หลุมดำ ชนกับจานสะสมมวลสารของจานที่ใหญ่กว่าสองครั้งในทุก ๆ สิบสองปี อย่างไรก็ตามเนื่องจากรูปร่างของมันค่อนข้างยาวไม่ปกติ วงโคจร (เรียกว่าเสมือน-เคพลาเรียนในคำศัพท์ทางคณิตศาสตร์ ดังแสดงในรูปด้านล่าง) แสงแฟลร์สามารถปรากฏขึ้นในเวลาที่ต่างกัน บางครั้งห่างกันเพียงหนึ่งปี ในบางครั้งห่างกันมากถึง 10 ปี (1) ความพยายามหลายครั้งในการสร้างแบบจำลอง วงโคจร และการทำนายว่าแสงแฟลร์จะเกิดขึ้นเมื่อใดไม่ประสบผลสำเร็จจนกระทั่งในปี พ.ศ. 2010 เมื่อนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สร้างแบบจำลองที่สามารถทำนายการเกิดขึ้นโดยมีข้อผิดพลาดประมาณหนึ่งถึงสามสัปดาห์ ความแม่นยำของแบบจำลองแสดงให้เห็นโดยการทำนายลักษณะของเปลวไฟในเดือนธันวาคม 2015 ภายในสามสัปดาห์

ข้อมูลสำคัญอีกชิ้นหนึ่งที่นำไปสู่การสร้างทฤษฎีไบนารี่ที่ประสบความสำเร็จ หลุมดำ ระบบ OJ 287 คือข้อเท็จจริงที่ว่ามวลมหาศาล หลุมดำ สามารถเป็นแหล่งของ คลื่นโน้มถ่วง – ซึ่งก่อตั้งขึ้นหลังจากการสังเกตการทดลองของ คลื่นโน้มถ่วง ในปี 2016 เกิดขึ้นระหว่างการรวมตัวกันของมวลมหาศาลสองแห่ง หลุมดำ- OJ 287 ได้รับการทำนายว่าเป็นแหล่งกำเนิดของอินฟราเรด คลื่นโน้มถ่วง (2)

ในปี พ.ศ. 2018 นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์กลุ่มหนึ่งได้ให้แบบจำลองที่มีรายละเอียดมากขึ้น และอ้างว่าสามารถทำนายช่วงเวลาของเปลวไฟในอนาคตได้ภายในไม่กี่ชั่วโมง (3) ตามแบบจำลองนี้ เปลวไฟครั้งต่อไปจะเกิดขึ้นในวันที่ 31 กรกฎาคม 2019 และเวลาคาดการณ์โดยมีข้อผิดพลาด 4.4 ชั่วโมง นอกจากนี้ยังคาดการณ์ความสว่างของแสงแฟลร์ที่เกิดจากการกระแทกที่จะเกิดขึ้นในระหว่างเหตุการณ์นั้นด้วย เหตุการณ์นี้ถูกบันทึกและยืนยันโดย ของนาซ่า สปิตเซอร์ ช่องว่าง กล้องโทรทรรศน์ (4) ซึ่งเลิกผลิตในเดือนมกราคม พ.ศ. 2020 เพื่อสังเกตเหตุการณ์ที่คาดการณ์ไว้ สปิตเซอร์เป็นความหวังเดียวของเรา เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์อื่นบนพื้นดินหรือในโลกไม่สามารถมองเห็นแสงแฟลร์นี้ได้ วงโคจรขณะที่ดวงอาทิตย์อยู่ในกลุ่มดาวมะเร็ง โดยมี OJ 287 และโลกอยู่คนละฝั่งกัน การสังเกตนี้ยังพิสูจน์ว่า OJ 287 ปล่อยออกมา คลื่นโน้มถ่วง ในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดตามที่คาดการณ์ไว้ ตามทฤษฎีที่เสนอนี้ คาดว่าเปลวไฟที่เกิดจากการกระแทกจาก OJ 287 จะเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2022

การสังเกตเปลวเพลิงเหล่านี้สร้างข้อจำกัดในเรื่อง “ไม่มีทฤษฎีผม” (5,6) ซึ่งระบุว่าในขณะที่ หลุมดำ ไม่มีพื้นผิวที่แท้จริง แต่มีขอบเขตรอบๆ ซึ่งไม่มีสิ่งใดแม้แต่แสงก็สามารถหลบหนีไปได้ ขอบเขตนี้เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ ทฤษฎีบทนี้ยังตั้งสมมติฐานด้วยว่าสสารซึ่งก่อตัวเป็นหลุมดำหรือกำลังตกลงไปนั้น “หายไป” ด้านหลัง หลุมดำ ขอบฟ้าเหตุการณ์ และผู้สังเกตการณ์ภายนอกจึงไม่สามารถเข้าถึงได้อย่างถาวร ซึ่งบอกเป็นนัยว่า หลุมดำ มี "ไม่มีขน" ผลที่ตามมาประการหนึ่งของทฤษฎีบทก็คือว่า หลุมดำ สามารถกำหนดลักษณะได้อย่างสมบูรณ์ด้วย มวลประจุไฟฟ้าและการหมุนภายใน ตามที่นักวิทยาศาสตร์บางคนกล่าวว่า ขอบด้านนอกของหลุมดำ เช่น ขอบฟ้าเหตุการณ์ อาจเป็นหลุมเป็นบ่อหรือไม่สม่ำเสมอ ซึ่งขัดแย้งกับทฤษฎีบท "ไม่มีเส้นผม" อย่างไรก็ตาม หากเราต้องพิสูจน์ความถูกต้องของ "ทฤษฎีบทไม่มีเส้นขน" คำอธิบายที่เป็นไปได้เพียงอย่างเดียวก็คือการกระจายมวลที่ไม่สม่ำเสมอของหลุมดำขนาดใหญ่จะบิดเบือนความจริง ช่องว่าง รอบตัวในลักษณะที่จะนำไปสู่การเปลี่ยนเส้นทางของผู้เล็กลง หลุมดำและในทางกลับกันก็เปลี่ยนช่วงเวลาของ หลุมดำ ชนกับดิสก์สะสมส่วนนั้นโดยเฉพาะ วงโคจรจึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาที่ปรากฏของพลุที่สังเกตได้

อย่างที่คาดไว้ หลุมดำ ยากต่อการสอบสวน ดังนั้นเมื่อเราก้าวไปข้างหน้า ก็มีข้อสังเกตเชิงทดลองอีกมากมายเกี่ยวกับเรื่องนี้ หลุมดำ ปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมและหลุมดำอื่นๆ จะต้องได้รับการศึกษาก่อนที่จะยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีบท "ไม่มีเส้นผม"

***

อ้างอิง:

1. วาลโทเนน วี., โซล่า เอส., อัล et. 2016, “การหมุนของหลุมดำปฐมภูมิใน OJ287 ตามที่กำหนดโดยเปลวไฟครบรอบ 819 ปีสัมพัทธภาพทั่วไป”, Astrophys เจ. เลตต์. 2016 (2) ครั้งที่ 37, LXNUMX. ดอย: https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
2. แอ๊บบอต บีพี. อัล et. 2016. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “การสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงจากการควบรวมหลุมดำไบนารี”, Phys. รายได้เลตต์ 116, 061102 (2016). ดอย: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
3. Dey L. , Valtonen MJ. , Gopakumar A. อัล et ค.ศ. 2018 “การตรวจสอบการมีอยู่ของไบนารีหลุมดำขนาดใหญ่เชิงสัมพัทธภาพใน OJ 287 โดยใช้ Flare ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป: พารามิเตอร์การโคจรที่ปรับปรุงแล้ว”, ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ จ. 866, 11 (2018). ดอย: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
4. เลน เอส., เดย์ แอล., อัล et 2020 “การสังเกตการณ์ของสปิตเซอร์ของเปลวไฟเอดดิงตันที่คาดการณ์ไว้จากบลาซาร์ OJ 287” จดหมายวารสารดาราศาสตร์, ฉบับที่. 894 ฉบับที่ 1 (2020). ดอย: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
5. Gürlebeck, N., 2015. “ทฤษฎีบทไม่มีผมสำหรับหลุมดำในสภาพแวดล้อมทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์”, จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น 114, 151102 (2015). ดอย: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
6. Hawking Stephen W. , et al 2016. ผมนุ่มบนหลุมดำ https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf

***