Forskere opdager ringningen af ​​et nyfødt sort hul for første gang

Hvis Albert Einsteins generelle relativitetsteori holder stik, så et sort hul, født fra de kosmisk rystende kollisioner af to massive sorte huller, skulle selv "ringe" i kølvandet, producerer gravitationsbølger meget ligesom en slået klokke genlyder lydbølger. Einstein forudsagde, at den særlige stigning og henfald af disse gravitationsbølger skulle være en direkte signatur af det nydannede sorte huls masse og spin.

Nu, fysikere fra MIT og andre steder har "hørt" ringningen af ​​et spædbarns sort hul for første gang, og fandt ud af, at mønsteret af denne ringetone gør, faktisk, forudsige det sorte huls masse og spin - mere bevis på, at Einstein havde ret hele tiden.

Fundene, offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve , favoriserer også ideen om, at sorte huller mangler enhver form for "hår" - en metafor, der refererer til ideen om, at sorte huller, ifølge Einsteins teori, skal udvise kun tre observerbare egenskaber:masse, spin, og elektrisk ladning. Alle andre egenskaber, som fysikeren John Wheeler kaldte "hår, " burde blive opslugt af selve det sorte hul, og ville derfor ikke kunne observeres.

Holdets resultater i dag understøtter ideen om, at sorte huller er, faktisk, hårløse. Forskerne var i stand til at identificere mønsteret af et sort huls ring, og, ved hjælp af Einsteins ligninger, beregnet den masse og spin, som det sorte hul skulle have, givet dets ringemønster. Disse beregninger matchede målinger af det sorte huls masse og spin foretaget tidligere af andre.

Hvis holdets beregninger afveg væsentligt fra målingerne, det ville have antydet, at det sorte huls ringning koder for andre egenskaber end masse, spin, og elektrisk ladning - fristende beviser for fysik ud over, hvad Einsteins teori kan forklare. Men som det viser sig, det sorte huls ringemønster er en direkte signatur af dets masse og spin, giver støtte til forestillingen om, at sorte huller er kæmper med skaldet ansigt, mangler noget uvedkommende, hårlignende egenskaber.

"Vi forventer alle, at den generelle relativitetsteori er korrekt, men det er første gang, vi har bekræftet det på denne måde, " siger undersøgelsens hovedforfatter, Maximiliano Isi, en NASA Einstein Fellow i MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Dette er den første eksperimentelle måling, der lykkes med direkte at teste no-hair-sætningen. Det betyder ikke, at sorte huller ikke kunne have hår. Det betyder, at billedet af sorte huller uden hår lever en dag mere."

En kvidren, afkodet

Den 9. sept. 2015, videnskabsmænd foretog den første nogensinde detektering af gravitationsbølger - uendelige små krusninger i rum-tid, udgår fra det fjerne, voldsomme kosmiske fænomener. Detektionen, navngivet GW150914, blev lavet af LIGO, Laser Interferometer gravitationsbølgeobservatoriet. Når forskerne fjernede støjen og zoomede ind på signalet, de observerede en bølgeform, der hurtigt voksede, før den forsvandt. Da de oversatte signalet til lyd, de hørte noget, der lignede et "kvidren".

Forskere fastslog, at gravitationsbølgerne blev udløst af den hurtige inspiration af to massive sorte huller. Toppen af ​​signalet - den højeste del af kvidren - var knyttet til det øjeblik, hvor de sorte huller kolliderede, smelter sammen til en enkelt, nyt sort hul. Mens dette spædbarns sorte hul sandsynligvis afgav sine egne gravitationsbølger, dens signatur ringer, fysikere antog, ville være for svag til at tyde midt i lyden af ​​den indledende kollision.

Isi og hans kolleger, imidlertid, fundet en måde at udtrække det sorte huls efterklang fra øjeblikke umiddelbart efter signalets toppunkt. I tidligere arbejde ledet af Isis medforfatter, Matthew Giesler, holdet viste gennem simuleringer, at et sådant signal, og især delen lige efter toppen, indeholder "overtoner" - en familie af højlydte, kortvarige toner. Da de genanalyserede signalet, tage overtoner i betragtning, forskerne opdagede, at de med succes kunne isolere et ringemønster, der var specifikt for et nydannet sort hul.

I holdets nye papir, forskerne anvendte denne teknik på faktiske data fra GW150914-detektionen, koncentrerer sig om de sidste par millisekunder af signalet, umiddelbart efter kvidrets højdepunkt. Under hensyntagen til signalets overtoner, de var i stand til at skelne en ringing fra det nye, spædbarns sorte hul. Specifikt, de identificerede to forskellige toner, hver med en pitch og henfaldshastighed, som de var i stand til at måle.

"Vi registrerer et samlet gravitationsbølgesignal, der består af flere frekvenser, som forsvinder med forskellige hastigheder, ligesom de forskellige tonehøjder, der udgør en lyd, " siger Isi. "Hver frekvens eller tone svarer til en vibrationsfrekvens af det nye sorte hul."

Lytter ud over Einstein

Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger, at stigningen og henfaldet af et sort huls gravitationsbølger bør være et direkte produkt af dets masse og spin. Det er, et sort hul med en given masse og spin kan kun producere toner af en bestemt tonehøjde og henfald. Som en test af Einsteins teori, holdet brugte den generelle relativitetsligning til at beregne det nydannede sorte huls masse og spin, givet tonehøjden og henfaldet af de to toner, de opdagede.

De fandt deres beregninger matchet med målinger af det sorte huls masse og spin tidligere lavet af andre. Isi siger, at resultaterne viser, at forskere kan, faktisk, bruge det allerhøjeste, mest påviselige dele af et gravitationsbølgesignal for at skelne et nyt sort huls ringning, hvor før, videnskabsmænd antog, at denne ringning kun kunne detekteres i den meget svagere ende af gravitationsbølgesignalet, og kun med meget mere følsomme instrumenter end det, der findes i øjeblikket.

"Dette er spændende for samfundet, fordi det viser, at den slags undersøgelser er mulige nu, ikke om 20 år, " siger Isi.

Efterhånden som LIGO forbedrer sin opløsning, og mere følsomme instrumenter kommer online i fremtiden, forskere vil kunne bruge gruppens metoder til at "høre" ringen af ​​andre nyfødte sorte huller. Og hvis de tilfældigvis opfanger toner, der ikke helt stemmer overens med Einsteins forudsigelser, det kunne være en endnu mere spændende udsigt.

"I fremtiden, vi får bedre detektorer på Jorden og i rummet, og vil være i stand til at se ikke kun to, men snesevis af tilstande, og fastlæg deres egenskaber præcist, " siger Isi. "Hvis disse ikke er sorte huller, som Einstein forudsiger, hvis de er mere eksotiske objekter som ormehuller eller bosonstjerner, de ringer måske ikke på samme måde, og vi har en chance for at se dem."