Fale w strukturze czasu i przestrzeni dają nowe wskazówki co do kształtu czarnych dziur

Czarne dziury to jedne z najbardziej fascynujących obiektów we Wszechświecie. Na ich powierzchni, zwanej „horyzontem zdarzeń”, grawitacja jest tak silna, że ​​nawet światło nie może z nich uciec. Zwykle czarne dziury są cichymi, cichymi stworzeniami, które połykają wszystko, co zbliża się do nich zbyt blisko; Jednak gdy zderzają się i łączą ze sobą dwie czarne dziury, powodują jedno z najbardziej katastrofalnych wydarzeń we Wszechświecie: w ułamku sekundy silnie zdeformowany czarna dziura rodzi się i uwalnia ogromne ilości energii, gdy osiada w swojej ostatecznej formie. Zjawisko to daje astronomom wyjątkową szansę obserwowania szybko zmieniających się czarnych dziur i badania grawitacji w jej najbardziej ekstremalnej formie.

Chociaż zderzające się czarne dziury nie wytwarzają światła, astronomowie mogą je obserwować fale grawitacyjne – zmarszczki w strukturze czasu i przestrzeni – które odbijają się od nich. Naukowcy spekulują, że po zderzeniu zachowanie pozostałości czarnej dziury jest kluczem do zrozumienia grawitacji i powinno zostać zakodowane w emitowanych falach grawitacyjnych.

Ilustracja artysty przedstawiająca wierzchołek czarnej dziury. Źródło: C. Evans; JC Bustillo

W artykule opublikowanym w Fizyka komunikacji (Nature), zespół naukowców pod kierownictwem absolwenta OzGrav prof.Jana Calderóna Bustillo – obecnie „ La Caixa Junior Leader – Marie Curie Fellow ” w Galicyjskim Instytucie Fizyki Wysokich Energii (Santiago de Compostela, Hiszpania) – ujawnił, w jaki sposób fale grawitacyjne zakodują kształt łączących się czarnych dziur, gdy osiedlają się one w swojej ostatecznej formie.

Absolwent i współautor Christopher Evans z Georgia Institute of Technology (USA) mówi: „Przeprowadziliśmy symulacje zderzeń czarnych dziur za pomocą superkomputerów, a następnie porównaliśmy szybko zmieniający się kształt pozostałości czarnej dziury z falami grawitacyjnymi, które emituje. Odkryliśmy, że te sygnały są znacznie bogatsze i bardziej złożone niż się powszechnie uważa, co pozwala nam dowiedzieć się więcej o ogromnie zmieniającym się kształcie ostatniej czarnej dziury ”.

Po pierwsze, obie czarne dziury krążą wokół siebie, powoli zbliżając się w fazie wdechu. Po drugie, dwie czarne dziury łączą się, tworząc zniekształconą czarną dziurę. Wreszcie czarna dziura osiąga ostateczną formę. b: Częstotliwość sygnałów fal grawitacyjnych obserwowanych ze szczytu zderzenia (skrajnie lewy) iz różnych pozycji na równiku (spoczynek) w funkcji czasu. Pierwszy sygnał przedstawia typowy sygnał „ćwierkający”, w którym częstotliwość rośnie w funkcji czasu. Pozostałe trzy pokazują, że po zderzeniu (w momencie t = 0) częstotliwość spada i ponownie rośnie, wytwarzając drugie „ćwierkanie”. Źródło: C. Evans, J. Calderón Bustillo

Fale grawitacyjne pochodzące ze zderzających się czarnych dziur to bardzo proste sygnały znane jako „ćwierkanie”. Gdy dwie czarne dziury zbliżają się do siebie, emitują sygnał o rosnącej częstotliwości i amplitudzie, który wskazuje prędkość i promień orbity. Według prof. Calderóna Bustillo „wysokość i amplituda sygnału rośnie, gdy dwie czarne dziury zbliżają się coraz szybciej. Po zderzeniu ostatnia pozostała czarna dziura emituje sygnał o stałej wysokości i malejącej amplitudzie – jak dźwięk uderzanego dzwonu ”. Zasada ta jest spójna ze wszystkimi dotychczasowymi obserwacjami fal grawitacyjnych, podczas badania zderzenia z góry.

Jednak badanie wykazało, że coś zupełnie innego dzieje się, gdy zderzenie jest obserwowane z „równika” ostatniej czarnej dziury. „Kiedy obserwowaliśmy czarne dziury z ich równika, odkryliśmy, że ostatnia czarna dziura emituje bardziej złożony sygnał, którego wysokość wzrasta i spada kilka razy, zanim umiera” – wyjaśnia prof. Calderón Bustillo. „Innymi słowy, czarna dziura ćwierka kilka razy”.

Szczegół kształtu pozostałości czarnej dziury po zderzeniu z czarną dziurą, o „kształcie kasztana”. Regiony silnej emisji fal grawitacyjnych (na żółto) skupiają się w pobliżu jej wierzchołka. Ta czarna dziura obraca się, kierując się w stronę wszystkich obserwatorów wokół niej. Źródło: C. Evans, J. Calderón Bustillo

Zespół odkrył, że jest to związane z kształtem ostatniej czarnej dziury, która działa jak rodzaj latarni morskiej działającej na falach grawitacyjnych: „Kiedy dwie oryginalne,„ macierzyste ”czarne dziury mają różne rozmiary, ostateczna czarna dziura początkowo wygląda tak kasztan, z guzkiem po jednej stronie i szerszym, gładszym grzbietem po drugiej ”- mówi Bustillo. „Okazuje się, że czarna dziura emituje bardziej intensywne fale grawitacyjne przez swoje najbardziej zakrzywione obszary, czyli te otaczające jej wierzchołek. Dzieje się tak, ponieważ pozostała czarna dziura również się obraca, a jej wierzchołek i tył wielokrotnie wskazują na wszystkich obserwatorów, wytwarzając wielokrotne ćwierkanie ”.

Współautor prof. Pablo Laguna, były przewodniczący School of Physics w Georgia Tech, a obecnie profesor na University of Texas w Austin, zwrócił uwagę, że „podczas gdy związek między falami grawitacyjnymi a zachowaniem ostatniej czarnej dziury był od dawna domniemany , nasze badanie dostarcza pierwszego wyraźnego przykładu tego rodzaju relacji ”.

Odniesienie: 8 października 2020 r., Fizyka komunikacji.
DOI: 10.1038 / s42005-020-00446-7