Przejdź do treści

Fizycy uważnie słuchają dzwonienia czarnej dziury

Artystyczne przedstawienie czasoprzestrzeni dzwoniącej czarnej dziury w zmodyfikowanych teoriach grawitacji.

Nowe metody pozwolą lepiej przetestować ogólną teorię względności Einsteina przy użyciu danych LIGO.

Ogólna teoria względności Alberta Einsteina opisuje, w jaki sposób tkanina przestrzeni i czasu, czyli czasoprzestrzeń, ulega zakrzywieniu w odpowiedzi na obecność masy. Na przykład nasze Słońce zakrzywia przestrzeń wokół siebie w taki sposób, że Ziemia toczy się wokół niego na podobieństwo kulki wrzuconej do lejka (Ziemia nie opada jednak oczywiście na Słońce ze względu na swoją "boczną" składową pędu).

Teoria, która była rewolucyjna w czasie, gdy została zaproponowana, czyli w 1915 roku, ukazała nam grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni. Choć teoria ta ma fundamentalne znaczenie dla samej natury otaczającej nas przestrzeni, fizycy twierdzą, że może to nie być koniec tej historii. A zamiast tego, teorie grawitacji kwantowej, które próbują ujednolicić ogólną teorię względności z fizyką kwantową, skrywają tajemnice dotyczącą sposobu, w jaki nasz Wszechświat działa na swoich najbardziej podstawowych poziomach.

Jednymi z miejsc, w których można szukać śladów grawitacji kwantowej, są potężne zderzenia czarnych dziur. Tam grawitacja jest najbardziej ekstremalna. Czarne dziury są najgęstszymi obiektami we Wszechświecie – ich grawitacja jest tak silna, że rozciągają wpadające do nich obiekty w przypominający makaron spaghetti. Kiedy dwie czarne dziury zderzają się i łączą w jedno większe ciało, zakrzywiają czasoprzestrzeń wokół siebie, wysyłając fale zwane falami grawitacyjnymi. We wszystkich kierunkach.

Detektory LIGO rutynowo wykrywają już fale grawitacyjne generowane przez łączące się czarne dziury – od 2015 roku (partnerskie obserwatoria Virgo i KAGRA, dołączyły do tego kosmicznego polowania odpowiednio w 2017 i 2020 roku). Jak dotąd jednak OTW przechodziła test za testem bez żadnych oznak załamania.

Teraz dwa nowe artykułu opublikowane w Physical Review X i Physical Review Letters opisują nowe metody poddawania OTW jeszcze bardziej rygorystycznym testom. Przyglądając się bliżej strukturom czarnych dziur i wytwarzanym przez nie zmarszczkom w czasoprzestrzeni, naukowcy poszukują oznak niewielkich odchyleń od ogólnej teorii względności, które wskazywałyby na obecność grawitacji kwantowej.

Kiedy dwie czarne dziury łączą się tworząc większą czarną dziurę, finalna ta czarna dziura dzwoni jak dzwon – wyjaśnia Yanbei Chen, profesor fizyki w Caltech i współautor obu badań. Jakość dzwonienia, czyli jego "barwa", może przy tym różnić się od przewidywań OTW, jeżeli niektóre teorie grawitacji kwantowej są poprawne. Nasze metody mają na celu poszukiwanie różnic w jakości tej fazy dzwonienia, takich jak na przykład harmoniczne i wydźwięki.

Pierwsza praca, której współautorami są Dongjun Li, doktorant w Caltech, i Pratik Wagle, doktorant na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign, przedstawia nowe równanie opisujące, w jaki sposób czarne dziury mogłyby dzwonić w ramach niektórych teorii grawitacji kwantowej lub w tym, co naukowcy nazywają reżimem wykraczającym poza ogólną teorią względności.

Praca opiera się na równaniu opracowanym 50 lat temu przez Saula Teukolsky'ego, profesora astrofizyki teoretycznej Robinsona w Caltech. Teukolsky opracował złożone równanie, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób fale geometrii czasoprzestrzeni rozchodzą się wokół czarnych dziur. W przeciwieństwie do numerycznych metod teorii względności, w których wymagane są superkomputery  do jednoczesnego rozwiązywania wielu równań różniczkowych odnoszących się do OTW, równanie Teukolsky'ego jest znacznie prostsze w użyciu i, jak wyjaśnia Li, zapewnia bezpośredni fizyczny wgląd w problem.

Jeżeli ktoś chce rozwiązać wszystkie równania Einsteina dotyczące zderzeń czarnych dziur, aby dokładniej je zasymulować, musi użyć superkomputerów – mówi Li. Numeryczne metody teorii względności są niezwykle ważne dla dokładnego symulowania łączenia się czarnych dziur i stanowią kluczową podstawę do interpretacji danych LIGO. Jednak fizykom niezwykle trudno jest wyciągać wnioski bezpośrednio z wyników numerycznych. Równanie Teukolsky'ego daje nam intuicyjne spojrzenie na to, co dzieje się w fazie dzwonienia.

Li i jego współpracownicy byli w stanie wykorzystać równanie Teukolsky'ego i po raz pierwszy dostosować je do czarnych dziur w reżimie poza ogólną teorią względności. Nasze nowe równanie pozwala nam modelować i rozumieć fale grawitacyjne rozchodzące się wokół czarnych dziur, które są bardziej egzotyczne niż przewidywał Einstein – powiedział Li.

Druga praca, opublikowana w czasopiśmie Physical Review Letters, pod kierownictwem Sizhenga Ma, absolwenta Caltech, opisuje nowy sposób zastosowania równania Li do rzeczywistych danych uzyskanych przez LIGO i obserwatoria partnerskie w następnym cyklu obserwacyjnym. To podejście do analizy danych wykorzystuje serię filtrów do usuwania cech dzwonienia czarnej dziury przewidzianych przez OTW, dzięki czemu można ujawnić potencjalnie subtelne, wykraczające poza ogólną teorię względności sygnatury.

Możemy szukać cech opisywanych przez równanie Dongjuna w danych zbieranych przez LIGO, Virgo i KAGRA - powiedział Ma. Dongjun znalazł sposób na przetłumaczenie dużego zestawu złożonych równań na jedno równanie, co jest niezwykle pomocne. Równanie to jest bardziej wydajne i łatwiejsze w użyciu niż metody, których używaliśmy wcześniej.

Li uważa też, że te dwa badania dobrze się uzupełniają. Początkowo obawiałem się, że sygnatury, które przewidują moje równanie, zostaną ukryte pod wieloma harmonicznymi i wydźwiękami; na szczęści filtry Sizhenga mogą usunąć wszystkie te znane cechy, co pozwala nam skupić się na różnicach – powiedział.

Razem odkrycia Li i Ma mogą znacznie zwiększyć zdolność naszej społeczności naukowej do badania grawitacji – dodaje Chen.

 

Więcej informacji:

Źródło: Caltech

Opracowanie: Agnieszka Nowak

Na ilustracji: Artystyczne przedstawienie czasoprzestrzeni dzwoniącej czarnej dziury w zmodyfikowanych teoriach grawitacji. Czarna dziura w centrum jest pozostałością po połączeniu podwójnych czarnych dziur i emituje swoje ostatnie fale grawitacyjne, zanim się uspokoi. Źródło: Yasmine Steele at University of Illinois – Urbana Champaign

Reklama