W 2017 roku fala grawitacyjna zadzwoniła po Ziemi jak czysty dźwięk dzwonu. Rozciągał i wyciskał każdą osobę, mrówkę i instrument naukowy na planecie, gdy przechodziła przez nasz region kosmiczny. Teraz naukowcy cofnęli się i zbadali tę falę i znaleźli w niej ukryte dane - dane, które pomagają potwierdzić dziesięciolecia idei astrofizyki.
Ta fala w 2017 r. Była bardzo ważna: po raz pierwszy astronomowie mieli narzędzie, które mogło ją wykryć i zarejestrować w miarę upływu czasu, znane jako Laser Interferometr Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Okazało się, że ta pierwsza fala spowodowała rozbicie się dwóch czarnych dziur w kosmosie. A teraz zespół astrofizyków spojrzał na nagranie jeszcze raz i znalazł coś, co inni sądzą, że zajmie dekady: dokładne potwierdzenie „twierdzenia o braku włosów”. Ten istotny aspekt teorii czarnej dziury sięga przynajmniej lat siedemdziesiątych - twierdzenie, w które Stephen Hawking słynie wątpił.
Kiedy fizycy twierdzą, że czarne dziury nie mają „włosów”, powiedział Maximiliano Isi, fizyk z MIT i główny autor artykułu, mają na myśli, że obiekty astrofizyczne są bardzo proste. Czarne dziury różnią się od siebie tylko na trzy sposoby: szybkość wirowania, masa i ładunek elektryczny. A w prawdziwym świecie czarne dziury prawdopodobnie nie różnią się znacznie ładunkiem elektrycznym, więc tak naprawdę różnią się tylko masą i spinem. Fizycy nazywają te łyse obiekty „czarnymi dziurami Kerra”.
Ta nagość sprawia, że czarne dziury bardzo różnią się od niemal każdego innego obiektu we wszechświecie, Isi powiedziała Live Science. Na przykład, gdy dzwoni prawdziwy dzwon, emituje fale dźwiękowe i niektóre niewykrywalne, niewiarygodnie słabe fale grawitacyjne. Ale to znacznie bardziej skomplikowany obiekt. Dzwon jest wykonany na przykład z materiału (może brązu lub żeliwa), podczas gdy zgodnie z modelem bez włosów, czarne dziury są jednolite. Każdy dzwon ma również nieco unikalny kształt, podczas gdy wszystkie czarne dziury są nieskończenie małymi, bezwymiarowymi punktami w przestrzeni otoczonymi sferycznymi horyzontami zdarzeń. Wszystkie te cechy dzwonka można wykryć w dźwięku wydawanym przez dzwon - przynajmniej jeśli wiesz coś o dzwonach i falach dźwiękowych. Isi powiedziała, że gdybyś mógł w jakiś sposób wyczuć fale grawitacyjne dzwonu, wykryłbyś również różnice w ich składzie i kształcie.
„Sekretem całego biznesu jest to, że fala - wzór rozciągania i ściskania - koduje informacje o źródle, rzecz, która spowodowała falę grawitacyjną”, powiedział Live Science.
Isi powiedział, że astronomowie badający falę w 2017 roku wiele się dowiedzieli o kolizji czarnej dziury, która ją zrodziła.
Ale nagranie było słabe i niezbyt szczegółowe. LIGO, najlepszy wykrywacz fal grawitacyjnych na świecie, wykorzystał laser do pomiaru odległości między zwierciadłami rozmieszczonymi w odległości 4 kilometrów od siebie w układzie L w stanie Waszyngton. (Virgo, podobny detektor, również wychwycił falę we Włoszech.) Gdy fala przetoczyła się przez LIGO, wypaczyła samą czasoprzestrzeń i bardzo nieznacznie zmieniła tę odległość. Isi powiedziała jednak, że szczegóły tej fali grawitacyjnej nie były wystarczająco intensywne, aby detektory mogły to zarejestrować.
„Ale to tak, jakbyśmy słuchali z bardzo dużej odległości” - powiedziała Isi.
W tamtym czasie fala ta dostarczała wielu informacji. Czarna dziura zachowała się zgodnie z oczekiwaniami. Isi powiedział, że nie ma oczywistych dowodów na to, że brakowało mu horyzontu zdarzeń (regionu, za którym żadne światło nie może uciec) i nie odbiegało dramatycznie od twierdzenia o braku włosów.
Ale badacze nie mogli być bardzo pewni wielu z tych punktów, szczególnie twierdzenia o braku włosów. Isi powiedziała, że najprostsza część fali do zbadania pojawiła się po połączeniu dwóch czarnych dziur w jedną większą czarną dziurę. Przez jakiś czas dzwonił, bardzo jak uderzony dzwon, wysyłając swoją nadwyżkę energii w przestrzeń jako fale grawitacyjne - co astrofizycy nazywają procesem „dzwonienia”.
W tym czasie badacze analizujący dane LIGO dostrzegli tylko jeden kształt fali w czasie wybiegu. Naukowcy sądzili, że opracowanie instrumentów na tyle czułych, by wychwycić cichsze podtony w trakcie wybierania, zajmie dekady. Ale jeden z kolegów Isiego, Matt Giesler, fizyk z California Institute of Technology, zorientował się, że tuż po zderzeniu był krótki okres, w którym rozbicie było na tyle intensywne, że LIGO zarejestrowało więcej szczegółów niż zwykle. I w tych chwilach fala była na tyle głośna, że LIGO podniosło ton - drugą falę o innej częstotliwości, bardzo podobnie do słabych nut wtórnych, które są przenoszone w dźwięku uderzonego dzwonka.
W instrumentach muzycznych podtony niosą większość informacji, które nadają instrumentom ich charakterystyczny dźwięk. To samo dotyczy wydźwięków fali grawitacyjnej, powiedział. Isi powiedziała, że ten nowo odkryty odcień znacznie wyjaśnił dane dotyczące dzwoniącej czarnej dziury.
To pokazało, powiedział, że czarna dziura była co najmniej bardzo blisko czarnej dziury Kerra. Twierdzenie o braku włosów można wykorzystać do przewidzenia, jak będzie wyglądał wydźwięk; Isi i jego zespół pokazali, że wydźwięk prawie pasuje do tej prognozy. Nagrywanie nadtonu nie było jednak bardzo wyraźne, więc nadal jest możliwe, że ton był nieco inny - o około 10% - od tego, co przewidywałoby to twierdzenie…
Jak powiedział Isi, aby wyjść poza ten poziom precyzji, trzeba wydobyć wyraźniejszy ton z fali uderzenia czarnej dziury lub zbudować bardziej czuły instrument niż LIGO.
„Fizyka polega na zbliżaniu się” - powiedziała Isi. „Ale nigdy nie możesz być pewien”.
Możliwe jest nawet, że sygnał z podtonu nie jest prawdziwy, ale przypadkowo wystąpił z powodu przypadkowych wahań danych. Zgłoszono „pewność 3,6σ” w istnieniu wydźwięku. Oznacza to, że istnieje szansa 1 na 6300, że wydźwięk nie jest prawdziwym sygnałem z czarnej dziury.
Isi powiedział, że w miarę udoskonalania się instrumentów i wykrycia większej liczby fal grawitacyjnych wszystkie te liczby powinny stać się bardziej pewne i precyzyjne. LIGO przeszedł już przez ulepszenia, dzięki którym wykrywanie kolizji czarnych dziur jest dość rutynowe. Według Physics World kolejne ulepszenie, planowane na połowę 2020 roku, powinno zwiększyć jego czułość dziesięciokrotnie. Po uruchomieniu kosmicznej anteny laserowej interferometru kosmicznego (LISA) w połowie lat 30. XX wieku astronomowie powinni być w stanie potwierdzić bezwłosość czarnych dziur do stopnia pewności niemożliwego do dziś.
Jednak Isi powiedział, że zawsze jest możliwe, że czarne dziury nie są całkowicie łyse - mogą mieć kwantowe brzoskwiniowe włosy, które są zbyt miękkie i krótkie, aby nasze instrumenty mogły je podnieść.
