Зазвичай ми сприймаємо фотографію як запис одного моменту часу. Це може бути знімок, що зберігає ваші найщасливіші спогади, або тривала експозиція, що відображає повільний рух зірок на нічному небі. Фотографія зазвичай має простий зв'язок з часом.

Однак, біля чорних дір цей зв'язок порушується. Завдяки екстремальному викривленню простору-часу, одне зображення може поєднувати світло, яке покинуло джерело в різні моменти часу, що фізики зазвичай описують за допомогою моделей "швидкого" та "повільного" світла.

Фізики Даніель Рохас-Патерніна з Національного університету Колумбії та Алехандро Карденас-Авенданьо з Університету Уейк Форест показали у статті, прийнятій до публікації в Physical Review Letters, коли ці приховані відмінності в часі подорожі світла мають значення – і коли їх можна безпечно ігнорувати.

"Корисною відправною точкою є звичайна фотографія," – сказав Карденас-Авенданьо.

"Камера записує фотони, які досягають детектора під час короткої експозиції. Ці фотони не всі покинули об'єкт в один і той же час... Але оскільки швидкість світла така велика, ми зазвичай сприймаємо фотографію як запис одного моменту."

На сьогоднішній день вчені змогли зобразити дві надмасивні чорні діри: M87* в далекій галактиці та Sgr A* в центрі Чумацького Шляху – але, звичайно, ці зображення не показують самі чорні діри.

Ці зображення показують темну тінь, оточену світлом оранжевого кольору. Це світіння походить від вихору надгарячого газу, що обертається навколо чорної діри в акреційному диску, що світиться настільки яскраво, що його можна зобразити з десятків мільйонів світлових років відстані.

Поєднуючи спостереження з складними симуляціями, вчені можуть створювати моделі того, як цей матеріал змінюється з часом, що дозволяє їм порівнювати спостереження з теорією, а також створювати змодельовані фільми про матерію та світло, що обертаються навколо чорної діри.

Швидкість світла у вакуумі є однією з основних констант Всесвіту, і ця нова стаття не змінила цього. Натомість позначення "швидкого" та "повільного" світла використовуються для моделювання того, як світло подорожує навколо чорної діри.

"Гравітація чорної діри може сильно викривляти світло," – сказав Карденас-Авенданьо.

"Деякі фотони можуть проходити майже прямими шляхами до нас, тоді як інші можуть обертатися навколо чорної діри, перш ніж досягти детектора. Це означає, що фотони, які приходять в одному кадрі зображення, можуть покинути випромінюючий газ у різний час."

Модель швидкого світла розглядає спостереження чорних дір так само, як ви могли б розглядати фотографію вашого собаки, ігноруючи незначні відмінності в тому, коли ці фотони почали свої подорожі. Світло з її носа могло бути випромінене трохи пізніше, ніж світло з її хвоста, але ви сприймаєте це як один момент.

Модель повільного світла, з іншого боку, зберігає ці затримки.

Але інформація про затримку часу, що зберігається в моделі повільного світла, має свою ціну. Це обчислювально набагато дорожче, тому фізики іноді можуть вибрати модель швидкого світла для простоти та швидкості.

"У швидкому світлі береться один знімок потоку акреції та зображується. Потім переходять до наступного знімка та повторюють процес," – пояснив Карденас-Авенданьо.

"У повільному світлі навіть один кадр зображення може вимагати багатьох знімків потоку акреції, оскільки різні пікселі відповідають різним часам випромінювання."

Попередні дослідження припускали, що апроксимація швидкого світла була достатньо точною для багатьох спостережень.

Уявіть, що світний акреційний диск насправді не змінюється з моменту на момент. Це не мало б значення, якщо один фотон покинув трохи пізніше, ніж інший – в основному ви все ще дивитеся на одну й ту ж сцену.

Тепер уявіть, що турбулентний газ блискає насильницьки, з вузлами та вихорами, що мчать навколо потоку. У одному кадрі ви можете бачити фотони до та після спалаху; раптом ця різниця в часі має велике значення.

Проблема зводиться до конкуренції між двома годинниками – як швидко змінюється світний газ і як широко розділені часи подорожі фотонів.

Щоб подолати розрив між швидким і повільним світлом, дослідники запропонували середній варіант – те, що вони називають "швидким світлом", яке не є повністю швидким і не є повністю повільним.

"Швидке світло зводить все зображення до одного часу джерела. Повільне світло зберігає всю карту затримки часу по зображенню. Швидке світло є проміжним рішенням," – сказав Карденас-Авенданьо.

"Воно зберігає домінуючу структуру затримки часу, зменшуючи обчислювальні витрати в порівнянні з повним повільним світлом. У деяких випадках воно наближається до результату повільного світла без необхідності повних витрат."

Доброю новиною є те, що нам не потрібно повертатися до початкового етапу щодо тих знакових зображень M87* та Sgr A*. Ці чорні діри були спостережені з кутів, де апроксимація швидкого світла все ще працює для зображень, отриманих телескопом горизонту подій.

Справжня вигода може прийти з наступного покоління обсерваторій чорних дір, які прагнуть працювати в режимах, де тайминг швидкого світла може дати зображення, яке може виглядати правильно, але все ще має неправильну інформацію про час.

Наступне покоління обсерваторій, такі як Black Hole Explorer, сподівається дослідити більш тонкі особливості, такі як фотонні кільця, де відносні часи прибуття фотонів стають частиною сигналу.

Сигнал фотонного кільця домінує не поточним акреційним матеріалом, а геометрією простору-часу навколо чорної діри. Оскільки кільце формується фотонами, що проходять різними шляхами навколо чорної діри, збереження цих прихованих затримок часу стає набагато важливішим.

"Ми не будемо бачити потік акреції в один момент. Кожен кадр поєднуватиме світло, випромінене в кілька різних часів," – сказав Карденас-Авенданьо.

"У цьому обмеженому, але точному сенсі фільм про чорну діру є дивнішим, ніж звичайний фільм."

Наразі співпраця телескопа горизонту подій працює над створенням фільму про M87*. Ми ще далекі від чітких, детальних спостережень процесів навколо чорної діри, але ми ближчі, ніж будь-коли, до бачення її в дії.

Коли цей день настане, кожен кадр буде набагато більше, ніж здається – машиною часу, що відкриває кілька моментів з недавньої історії одного з найстранніших режимів простору-часу у Всесвіті.

Стаття була прийнята до публікації в найближчому номері Physical Review D. До того часу ви можете прочитати попередню версію на arXiv.