Przejdź do treści

Naukowcy znajdują wskazówki, jak rozszyfrować kształty czarnych dziur

Wizja artystyczna kształtu czarnej dziury pozostałej po zderzeniu dwóch czarnych dziur.

Zespół naukowców zajmujący się falami grawitacyjnymi ujawnił, że kiedy dwie czarne dziury zderzają się i łączą ze sobą, powstała czarna dziura „ćwierka” nie raz, ale wiele razy, emitując fale grawitacyjne, które informują nas o jej kształcie.

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 niej uciec. Zwykle czarne dziury są spokojnymi, cichymi stworzeniami, które połykają wszystko, co zbytnio się do nich zbliża. Jednak kiedy zderzają się i łączą ze sobą dwie czarne dziury, powodują jedno z najbardziej katastrofalnych zdarzeń we Wszechświecie: w ułamku sekundy rodzi się silnie zniekształcona czarna dziura, a gdy osiada w swojej ostatecznej postaci, uwalnia ogromne ilości energii. 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 emitują światła, astronomowie mogą obserwować wykryte fale grawitacyjne, które się od nich odbijają. Naukowcy spekulują, że po zderzeniu zachowanie pozostałej czarnej dziury jest kluczem do zrozumienia grawitacji i powinno zostać zakodowane w emitowanych falach grawitacyjnych.

W niedawno opublikowanym artykule zespół naukowców kierowany przez prof. Juana Calderóna Bustillo ujawnił, w jaki sposób fale grawitacyjne kodują kształt łączących się czarnych dziur, gdy lokują się one w ostatecznej formie.

Współautor pracy, Christopher Evans, mówi: „Przy użyciu superkomputerów przeprowadziliśmy symulacje zderzeń czarnych dziur, a następnie porównaliśmy szybko zmieniający się kształt pozostałej czarnej dziury z falami grawitacyjnymi, które emituje. Odkryliśmy, że sygnały te są znacznie bogatsze i bardziej złożone niż się powszechnie uważa, co pozwala nam dowiedzieć się więcej o bardzo zmieniającym się kształcie ostatecznej czarnej dziury.”

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 wzrasta, gdy dwie czarne dziury coraz szybciej zbliżają się do siebie. Po zderzeniu pozostała ostateczna 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 dzieje się coś zupełnie innego, gdy zderzenie obserwuje się z „równika” pozostałej czarnej dziury.

„Kiedy obserwowaliśmy czarne dziury z ich równika, stwierdziliśmy, że ta pozostała czarna dziura emituje bardziej złożony sygnał, którego wysokość wzrasta i spada kilka razy, zanim umrze. Innymi słowy, czarna dziura w rzeczywistości ćwierka kilka razy” – wyjaśnia prof. Calderón Bustillo.

Zespół odkrył, że ma to związek z kształtem ostatecznej czarnej dziury, która działa jak rodzaj latarni morskiej na falach grawitacyjnych: „Kiedy dwie oryginalne, ‘macierzyste’ czarne dziury mają różne rozmiary, ostateczna czarna dziura początkowo wygląda jak kasztan. Okazuje się, że czarna dziura emituje intensywniejsze fale grawitacyjne przez swoje najbardziej zakrzywione regiony.”

Prof. Pablo Laguna zwrócił uwagę, że „podczas, gdy związek pomiędzy falami grawitacyjnymi a zachowaniem pozostałej czarnej dziury był od dawna domniemywany, nasze badanie dostarcza pierwszego wyraźnego przykładu tego rodzaju relacji.”

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej informacji:
The black hole always chirps twice: scientists find clues to decipher the shape of black holes

Post-merger chirps from binary black holes as probes of the final black-hole horizon

Źródło: OzGrav

Na ilustracji: Wizja artystyczna kształtu czarnej dziury pozostałej po zderzeniu dwóch czarnych dziur. Źródło: Christopher Evans (Georgia Tech), Juan Calderón Bustillo (IGFAE, USC).