De første overtoner hørt i ringen af ​​et sort hul

Når to sorte huller støder sammen, de smelter sammen i et større sort hul og ringer som en slået klokke, udsender krusninger i rum og tid kaldet gravitationsbølger. Indlejret i disse gravitationsbølger er specifikke frekvenser, eller toner, som er beslægtet med individuelle toner i en musikalsk akkord.

Nu, forskere har opdaget to sådanne toner for første gang i "ringdown" af et nydannet sort hul. Tidligere, det blev antaget, at kun en enkelt tone kunne måles, og at yderligere toner, kaldet overtoner, ville være for svag til at blive opdaget med nutidens teknologier.

"Før, det var som om du prøvede at matche lyden af ​​en akkord fra en guitar ved kun at bruge en enkelt streng, " siger Matthew Giesler, en kandidatstuderende ved Caltech og anden forfatter til en ny undersøgelse, der beskriver resultaterne i 12. september-udgaven af Fysiske anmeldelsesbreve . Giesler er hovedforfatter til et relateret papir indsendt til Physical Review X om den teknik, der bruges til at finde overtonerne.

Resultaterne, som var baseret på genanalyse af data fanget af National Science Foundations LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), har sat Albert Einsteins generelle relativitetsteori på en ny form for test. Fordi sammensmeltede sorte huller oplever knusende tyngdekraft, undersøgelser af disse begivenheder giver forskere mulighed for at teste den generelle relativitetsteori under ekstreme forhold. I dette særlige tilfælde, forskerne testede en specifik forudsigelse af generel relativitet:at sorte huller kan beskrives fuldt ud ved blot deres masse og spinhastighed. Endnu engang, Einstein bestod testen.

"Denne form for test var blevet foreslået længe før den første påvisning, men alle forventede, at det ville skulle vente mange år, før detektorer ville være følsomme nok, " siger Saul Teukolsky (Ph.D. '73), Robinson-professoren i teoretisk astrofysik ved Caltech og rådgiver for Giesler. "Dette resultat viser, at vi kan begynde at udføre testen allerede med nutidens detektorer ved at inkludere overtonerne, et uventet og spændende resultat."

LIGO skrev historie i 2015, da det foretog den første nogensinde direkte detektion af gravitationsbølger, 100 år efter, at Einstein første gang forudsagde dem. Siden da, LIGO og dets europæisk baserede partnerobservatorium, Jomfruen, har opdaget næsten 30 gravitationsbølgehændelser, som bliver yderligere analyseret. Mange af disse gravitationsbølger opstod, da to sorte huller kolliderede, sender ryster gennem rummet.

"Et nyt sort hul dannes ud af en voldsom astrofysisk proces og er derfor i en ophidset tilstand, " siger Maximiliano (Max) Isi (Ph.D. '18), hovedforfatter af Fysiske anmeldelsesbreve undersøgelse, nu på MIT. "Imidlertid, det afgiver hurtigt denne overskudsenergi i form af gravitationsbølger."

Som en del af Gieslers kandidatarbejde, han begyndte at undersøge, om overtoner kunne detekteres i aktuelle gravitationsbølgedata ud over hovedsignalet, eller tone, selvom de fleste videnskabsmænd mente, at disse overtoner var for svage. Han så specifikt på simuleringer af LIGOs første detektion af gravitationsbølger, fra en sort huls fusionsbegivenhed kendt som GW150914.

I slutfasen af ​​fusionen, en periode kendt som ringdown, det nyligt fusionerede sorte hul ryster stadig. Giesler fandt ud af, at overtonerne, som er højlydte, men kortvarige, er til stede i en tidligere fase af ringdown end tidligere var blevet realiseret.

"Dette var et meget overraskende resultat. Den konventionelle visdom var, at på det tidspunkt, hvor det resterende sorte hul havde sat sig ned, så alle toner kunne detekteres, overtonerne ville have forfaldet næsten fuldstændigt, " siger Teukolsky, som også er professor i fysik ved Cornell University. "I stedet, det viser sig, at overtonerne kan spores, før hovedtonen bliver synlig."

De nyfundne overtoner hjalp forskerne med at teste "ingen hår"-sætningen for sorte huller - ideen om, at der ikke er andre karakteristika, eller "hår, " nødvendig for at definere et andet sort hul end masse eller spin. De nye resultater bekræfter, at de sorte huller ikke har hår, men videnskabsmænd har mistanke om, at fremtidige tests af teorien, hvor endnu mere detaljerede observationer bruges til at undersøge sorte huls fusioner, kan vise andet.

"Einsteins teori kunne gå i stykker, hvis der er kvanteeffekter på spil, " siger Giesler.

"Newtons teori om tyngdekraften består mange tests, hvor tyngdekraften er svag, men fejler fuldstændig, når det kommer til at beskrive tyngdekraften på sit mest ekstreme, som når det kommer til at forsøge at beskrive sammensmeltede sorte huller. Tilsvarende da vi til sidst sonderer signalet fra sorte huller med stigende nøjagtighed, det er muligt, at selv generel relativitetsteori en dag vil svigte testen."

I løbet af de næste par år, planlagte opgraderinger til LIGO og Jomfruen vil gøre observatorierne endnu mere følsomme over for gravitationsbølger, afslører mere skjulte toner.

"Jo større og højere en begivenhed, jo mere sandsynligt, at LIGO kan opfange disse overtoner, " siger Alan Weinstein, en professor i fysik ved Caltech og medlem af LIGO Laboratory, som ikke er tilknyttet denne undersøgelse. "Med LIGOs første detektion af gravitationsbølger, vi bekræftede forudsigelser lavet af generel relativitetsteori. Nu, ved at søge efter overtoner, og endda svagere signaler kaldet højere ordenstilstande, vi leder efter dybere test af teorien, og endda potentielt bevis på, at teorien bryder sammen."

siger Isi, "Lidt efter lidt, sorte huller vil kaste deres mysterier, revolutionerer vores forståelse af tyngdekraften, plads, og tid."