Датский студент Альберт Снеппен из университета Нильса Бора вывел точные уравнения, описывающие искривление света вблизи горизонта событий чёрной дыры. Работа с подробным описанием опубликована в журнале Scientific Reports.

Известно, что чёрные дыры искривляют пространство-время благодаря своей гравитации, и чем ближе к её центру, тем сильнее искривление. В какой-то момент оно становится настолько сильным, что даже свет не в состоянии покинуть чёрную дыру. Граница, на которой это происходит, называется горизонтом событий чёрной дыры, и определяется он радиусом Шварцшильда.

Оказавшиеся сразу за горизонтом событий фотоны будут следовать кривизне пространства, и с точки зрения стороннего наблюдателя путь света будет искривлённым. Вблизи горизонта событий появится фотонное кольцо – это путь, который фотоны будут проходить многократно, пока либо не упадут в чёрную дыру, либо не уйдут обратно в окружающее пространство.

Получается, что свет далёких объектов усиливается, искажается и их изображение может быть несколько раз скопировано. Всё это мы называем «гравитационной линзой», и этот эффект может оказаться весьма полезным инструментом для изучения Вселенной.

Изучая этот эффект, исследователи поняли, что чем ближе линия нашего взгляда будет к чёрной дыре, тем больше визуальных копий одного и того же объекта мы можем увидеть.

Следующая копия находится примерно в 500 раз ближе предыдущей к оптическому краю чёрной дыры – об этом говорит экспоненциальная функция e2π, но почему всё происходит именно так, учёные затруднялись описать на уровне строгой математики.

Снеппен переформулировал траекторию движения света и количественно описал его линейную стабильность при помощи дифференциальных уравнений второго порядка. Из его решения следует не только математически точное описание повторения изображений на указанных расстояниях, но и то, что у вращающихся чёрных дыр этот коэффициент зависит от скорости их вращения.

По его словам, если чёрная дыра вращается очень быстро, к ней надо приближаться уже не в 500 раз ближе, а значительно меньше – в 50, 5 или всего в 2 раза ближе.

Наблюдать это на практике при современном технологическом уровне развития будет достаточно сложно – пока сложной задачей остаётся даже разбор светового кольца вокруг супермассивной чёрной дыры M87*.

Теоретически вокруг горизонта чёрной дыры может находиться бесконечное количество световых колец. Мы уже смогли получить изображение тени чёрной дыры, поэтому можем надеяться на получение изображений лучшего качества. Также уже есть планы на получение изображения фотонного кольца.

Однажды бесконечное количество изображений близ горизонта чёрной дыры может стать инструментом не только изучения физики чёрной дыры, но и объектов, расположенных за ней, чьи изображения бесконечно повторяются на световой орбите.

По словам Снеппена, есть что-то фантастически прекрасное в объяснении того, почему эти изображения повторяются таким элегантным образом. А кроме того, всё это даёт нам новые возможности для проверок наших теорий гравитации и чёрных дыр.