Brug af gravitationsbølgeobservationer af en binær sort hul-fusion til at verificere no-hair-sætningen

Et internationalt hold af forskere, herunder Prof. Badri Krishnan ved Radboud Universitet, har verificeret en vigtig egenskab ved sorte huller kendt som no-hair-sætningen ved hjælp af gravitationsbølgeobservationer. Deres forskning er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

Det er en bemærkelsesværdig kendsgerning i naturen, at sorte huller er ekstremt simple genstande. Faktisk er hvert sort hul i vores univers fuldstændig beskrevet af kun to tal:dets masse og vinkelmomentum (eller "spin"). Dette gælder ikke for normale stjerner eller planeter, som består af meget mere komplekse stoffordelinger.

Ligesom enhver anden stjerne har sorte huller "kvasi-normale tilstande." Dette vil være velkendt for de fleste læsere som en klokkes egenskab:Når den bliver slået af en hammer, udsender klokken et spektrum af toner, som langsomt falmer ud over tid. Disse toner bestemmes af mange faktorer såsom klokkens form, det særlige materiale klokken består af osv.

No-hair-sætning

På lignende måde udsender et forstyrret sort hul et karakteristisk spektrum af gravitationsbølgesignaler, som har specifikke frekvenser og fader ud over tid. I lyset af no-hair-sætningen skal det kvasi-normale spektrum for et sort hul være stærkt begrænset, da hele spektret også skal bestemmes af kun to tal.

Når vi modtager gravitationsbølgesignalet fra en stjerne med mindst to kvasi-normale tilstande, kan vi således bruge denne egenskab til at bestemme, om det i virkeligheden er et sort hul eller ej.

Overraskelse i dataene

For at verificere denne egenskab ved sorte huller genanalyserede holdet data fra gravitationsbølgesignalet fra en binær sort hul-fusionshændelse kendt som GW190521. Denne begivenhed blev opdaget af LIGO og Virgo observatorier i maj 2019.

Ved at bruge mere følsomme teknikker opdagede de en overraskelse gemt i dataene:En anden meget svagere kvasi-normal tilstand, der blev savnet af tidligere analyser. Dette var en stor overraskelse, da man mente, at sådanne detektioner ville kræve meget mere følsomme detektorer, som først ville være tilgængelige i midten af ​​2030'erne.

Generel relativitetsteori

"For mere end 20 år siden havde vi foreslået sådanne observationer som et middel til at teste arten af ​​sorte huller," siger Badri Krishnan. "På det tidspunkt troede vi ikke på, at de nuværende LIGO- og Jomfru-detektorer ville være i stand til at observere flere ringdown-tilstande. Derfor er disse resultater særligt glædelige for mig.

"Indtil videre har vi ikke fundet nogen afvigelser fra forudsigelserne om den generelle relativitetsteori, og Einstein har fortsat ret. Vores analyse viser, at frekvenserne og dæmpningstider for de kvasi-normale tilstande er i overensstemmelse med forudsigelserne om den generelle relativitet."

Flere oplysninger: Collin D. Capano et al., Multimode Quasinormal Spectrum from a Perturbed Black Hole, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221402

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Radboud University