Znaleziono silne dowody obserwacyjne na istnienie wielu trybów częstotliwości fal grawitacyjnych podczas łączenia się czarnych dziur.
Międzynarodowy zespół naukowców odkrył mocne dowody obserwacyjne na istnienie wielu częstotliwości fal grawitacyjnych w wyniku połączenia się podwójnej czarnej dziury. Zespół stwierdził, że czarna dziura o masie pośredniej, powstała w zdarzeniu GW190521, wibrowała krótko na co najmniej dwóch częstotliwościach po połączeniu. To odkrycie jest zgodne z fundamentalnym przewidywaniem ogólnej teorii względności. Obserwacja ta umożliwia testowanie tej teorii oraz twierdzenia o braku włosów w czarnej dziurze. Naukowcy nie znaleźli żadnych naruszeń ani odstępstw od ogólnej teorii względności. Wcześniej zakładano, że obserwacja wielu tonów fal będzie niemożliwa przed następną generacją detektorów fal grawitacyjnych. Jednakże dzięki nieoczekiwanej, masywnej pozostałości po fuzji GW190521 oraz doskonałym metodom analizy danych, udało się dokonać tego wykrycia. Wyniki zostały opublikowane w Physical Review Letters.
Podczas zderzenia dwóch czarnych dziur fale grawitacyjne są emitowane w trzech fazach: podczas opadania na siebie po spirali czarnych dziur, w trakcie połączenia oraz gdy nowo utworzona, początkowo przechylona czarna dziura osiada w swoim końcowym stadium. Ostatnia faza, nazywana „dzwonkiem”, to krótki okres wibracji czarnej dziury trwający ułamek sekundy, który – zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina – zawiera informacje o masie i spinie końcowej czarnej dziury.
Czarna dziura dzwoni jak dzwon
Czarna dziura jest podobna do dzwonu, który dzwoni, wytwarzając widmo wielu zanikających tonów, które kodują informacje o dzwonie – powiedział Collin Capano, współautor badania.
Zespół przeanalizował publiczne dane z LIGO i Virgo dotyczące zdarzenia GW190521, które jest jednym z najbardziej masywnych połączeń dwóch czarnych dziur zaobserwowanych do tej pory. Odkryli oni obecność dwóch stłumionych tonów (nazywanych również „modami kwazi-normalnymi”) w falach grawitacyjnych emitowanych podczas fazy „dzwonka” tego zdarzenia.
Dzwonek przy dwóch częstotliwościach
Osiągnięcie tej wielomodowej obserwacji – innymi słowy, wykrycie dwóch różnych częstotliwości drgań zdeformowanej czarnej dziury – było mile widzianą niespodzianką. Powszechnie zakładano, że nie będzie to możliwe przed następną generacją detektorów fal grawitacyjnych – powiedział Capano.
Naukowcy przeprowadzili badania dotyczące częstotliwości obecnych w zdarzeniu GW190521. Poszukiwali pojedynczych zanikających tonów i nie zakładali żadnego związku między częstotliwościami modów a ich czasem tłumienia. Zidentyfikowali dwa tryby: tryb podstawowy o częstotliwości 63 herców oraz drugi o częstotliwości 98 herców, z czasami tłumienia wynoszącymi odpowiednio 26 milisekund i 30 milisekund. Wartości te zgadzają się z wynikami numerycznych symulacji zderzeń czarnych dziur.
Brak włosów na GW190521
Twierdzenie o braku włosów stanowi, że zgodnie z ogólną teorią względności czarne dziury są opisane trzema dostępnymi zewnętrznie parametrami: masą, spinem i ładunkiem elektrycznym, chociaż ładunek jest zazwyczaj pomijany w przypadku astrofizycznych czarnych dziur. Opis tych czarnych dziur nie wymaga dodatkowych informacji ani „włosów”. Dlatego częstotliwości modów dzwonków i ich czasy tłumienia w przypadku czarnej dziury utworzonej z GW190521 muszą być określone przez masę i spin.
Przetestowaliśmy teorię czarnej dziury bez włosów, porównując częstotliwości i czasy tłumienia dwóch trybów, które znaleźliśmy w dzwonku GW190521 – powiedział Julian Westerweck, współautor publikacji. GW190521 przeszła test pomyślnie i nie znaleźliśmy żadnych oznak jakiejkolwiek fizyki czarnej dziury wykraczającej poza OTW Einsteina. To dość niezwykłe, że teoria, która ma już ponad sto lat, nadal działa tak dobrze.
Zespół przyjął, że częstotliwość i czas zaniku podstawowego trybu wibracji czarnej dziury zależą od jej masy i spinu, zgodnie z przewidywaniami teorii Einsteina. Następnie dopuścili, aby częstotliwość i czas zaniku drugiego trybu różniły się od wartości oczekiwanych w ogólnej teorii względności, a następnie sprawdzili, jak dobrze takie odchylenia pasują do obserwacji. Jednakże ich analiza nie wykazała takich odchyleń i potwierdziła, że zdarzenie GW190521 jest zgodne z teorią Einsteina.
Wyniki wykluczają również dwie alternatywne propozycje dotyczące nieco tajemniczej natury zdarzenia GW190521. Zarówno zderzenie czołowe egzotycznych gwiazd, jak i zapadnięcie się masywnej gwiazdy w czarną dziurę z dyskiem o dużej masie nie są zgodne z obserwowanym wielomodalnym dzwonkiem.
Ponad 20 lat temu zaproponowaliśmy takie obserwacje jako sposób na sprawdzenie natury czarnych dziur – powiedział prof. Badri Krishnan, współautor pracy. W tamtym czasie nie wierzyliśmy, że detektory LIGO i Virgo będą w stanie zaobserwować tryby wielomodalnego dzwonka. Dlatego te wyniki są dla mnie szczególnie satysfakcjonujące.
Więcej informacji:
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Źródło: MPG
Na ilustracji: Wizja artystyczna ilustrująca hierarchiczny schemat łączenia czarnych dziur w zdarzeniu GW190521. Źródło: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)
