Spindende sorte huller kan deformeres under et eksternt og statisk gravitationsfelt

Et åbent spørgsmål blandt fysiksamfundet er, om sorte huller kan tidevandsdeformeres af et eksternt gravitationsfelt. Hvis dette blev bekræftet at være sandt, det kan have vigtige konsekvenser for mange områder af fysikken, herunder grundlæggende fysik, astrofysik og gravitationsbølgeastronomi.

Forskere ved Observatoire de Paris-CNRS og Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas (CBPF) udførte for nylig en undersøgelse, der undersøgte tidevandsdeformerbarheden af ​​sorte huller under en ekstern, statisk gravitationsfelt. Deres papir, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , foreslår, at under et sådant felt, spindende sorte huller kan generelt deformeres.

"Idéen til dette arbejde opstod delvist fra et par samtaler under den internationale konference om generel relativitet og gravitation (GR22) i 2019, "Marc Casals, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Under disse samtaler, talerne diskuterede deformerbarheden af ​​neutronstjerner på grund af et eksternt gravitationsmæssigt tidevandsfelt. De nævnte også, at i modsætning til neutronstjerner, den (statiske) tidevandsdeformerbarhed af ikke-roterende sorte huller er nul, som vist af flere undersøgelser. Dette resultat stillede straks spørgsmålet om, hvorvidt den (statiske) tidevandsdeformerbarhed af roterende sorte huller også er nul."

Deformerbarheden af ​​roterende sorte huller under et statisk gravitationsfelt var allerede blevet undersøgt af et hold forskere ved Sapienza Universitet i Rom. I et papir udgivet i 2015, disse forskere viste, at når det statiske tidevandsfelt er symmetrisk i forhold til et sort huls rotationsakse, det sorte huls deformerbarhed er nul.

I deres undersøgelse, Casals og hans kollega Alexandre Le Tiec ønskede at undersøge deformerbarheden af ​​roterende sorte huller, når tidevandsfeltet påført dem er vilkårligt (dvs. ikke nødvendigvis aksesymmetrisk). Dette er et særligt vigtigt spørgsmål, da alle astrofysiske sorte huller menes at rotere; dermed, eventuelle eksterne tidevandsfelter vil typisk ikke være aksesymmetriske.

"Tidligere papirer gav os nogle fingerpeg om, hvilke metoder vi skal bruge, Casals forklarede. "En af dem var en specifik matematisk teknik:At lade det såkaldte multipolære indeks midlertidigt tage reelle tal, hvorimod dets fysiske værdier er beregnet til at være rene heltal (f.eks. 2, 3, 4, ...)."

Den matematiske teknik brugt af Casals og Le Tiec kan bruges til at adskille tidevandsdeformationen af ​​et sort hul fra det ydre tidevandsfelt, der forårsagede det, for derefter at sætte det multipolære indeks til at være et fysisk heltal. På trods af sine fordele, imidlertid, denne teknik er sandsynligvis svær at bruge direkte på ligninger, der opfyldes af selve gravitationsfeltet.

"I stedet, vi anvendte det først på en anden mængde, som involverer derivater af gravitationsfeltet (det måler i det væsentlige krumningen af ​​rumtiden) og, afgørende, opfylder en enklere ligning, som blev udledt i et tidligere papir af S. Teukolsky, " sagde Casals. "Fra denne mængde, så kan vi få gravitationsfeltet."

Målingen af ​​et gravitationsfelt afhænger af, hvem dets 'observatør' er, eller, i matematiske termer, på koordinatsystemet. Derfor, som et sidste skridt, Casals og Le Tiec byggede mængder, der er uafhængige af observatøren (eller koordinaterne), så de kunne identificere tidevandsdeformerbarheden af ​​roterende sorte huller på en måde, der virkelig var meningsfuld.

"Disse observatør-uafhængige størrelser er de såkaldte Geroch-Hansen multipol-momenter, opkaldt efter de forfattere, der fandt på dem (nemlig, R. P. Geroch i 1970 og R.O. Hansen i 1974), " sagde Casals.

Samlet set, beregningerne udført af dette hold af forskere viser, at roterende sorte huller generisk deformeres under et eksternt og statisk gravitationsfelt. Dette resultat står i skarp kontrast til tidligere undersøgelsesresultater relateret til ikke-roterende sorte huller eller roterende sorte huller med et aksesymmetrisk tidevandsfelt.

"Vi beregnede denne deformation eksplicit for tilfælde af et svagt tidevandsfelt med multipolært indeks lig med 2 og for små sorte huls rotation, Casals sagde. vi koblede denne tidevandsdeformation til den tidligere kendte effekt af tidevandsmoment; en ændring i vinkelmomentet af det sorte hul på grund af tidevandsfeltet."

Resultaterne indsamlet af Casals og Le Tiec kan bane vejen for flere undersøgelser, der undersøger deformerbarheden af ​​spindende sorte huller under et statisk tidevandsfelt. I deres papir, forskerne spekulerer også på muligheden for, at en sådan tidevandsdeformation kan observeres inden for de gravitationsbølger, der forventes at blive opdaget af Laser Interferometer Space Antenna (LISA) missionen, som er planlagt til 2034.

"Vores forskning kan naturligvis udvides i en række retninger, " Alexandre Le Tiec fortalte Phys.org. "Vi kunne, for eksempel, undersøge tidevandsdeformerbarheden af ​​spindende sorte huller:(i) for multipolært indeks højere end 2; (ii) til rotation af stort sort hul; eller (iii) for et stærkt tidevandsfelt. Det ville også være interessant at udforske den præcise sammenhæng mellem tidevandsdeformerbarhed, tidevandsopvarmning og ikke-nul viskositet af begivenhedshorisonten for sorte huller inden for det såkaldte membranparadigme."

© 2021 Science X Network