Τα βαρυτικά κύματα που προκύπτουν από τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη δοκιμή της γενικής σχετικότητας

By | December 6, 2023

Οι μαύροι κύκλοι παραμορφώνουν ένα πυκνό αέριο πεδίο από αστέρια και γαλαξίες.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν βαρυτικά κύματα που προκύπτουν από ένα συμβάν συγχώνευσης μαύρης τρύπας που υποδηλώνουν ότι η προκύπτουσα μαύρη τρύπα έλαβε ένα σταθερό σφαιρικό σχήμα. Αυτά τα κύματα αποκαλύπτουν επίσης ότι η συνδυασμένη μαύρη τρύπα μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

Όταν εντοπίστηκε αρχικά στις 21 Μαΐου 2019, το συμβάν βαρυτικών κυμάτων γνωστό ως GW190521 πιστεύεται ότι προέκυψε από μια συγχώνευση μεταξύ δύο μαύρες τρύπες, ένα με μάζα ισοδύναμη με λίγο περισσότερο από 85 ήλιους και ένα άλλο με μάζα ισοδύναμη με περίπου 66 ήλιους. Οι επιστήμονες πίστευαν ότι η συγχώνευση δημιούργησε έναν κατά προσέγγιση αριθμό 142 ηλιακή μάζα κόρη της μαύρης τρύπας.

Ωστόσο, οι πρόσφατα μελετημένες χωροχρονικές δονήσεις της μαύρης τρύπας που δημιουργήθηκε από τη συγχώνευση, κυματίζοντας προς τα έξω καθώς το κενό λύθηκε σε ένα σωστά σφαιρικό σχήμα, φαίνεται να υποδηλώνουν ότι είναι πιο μαζικό από ό,τι αρχικά αναμενόταν. Αντί να έχει 142 ηλιακές μάζες, οι υπολογισμοί λένε ότι θα έπρεπε να έχει μάζα ίση με περίπου 250 φορές αυτή του Ο ήλιος.

Αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν τελικά να βοηθήσουν τους επιστήμονες να δοκιμάσουν καλύτερα γενική σχετικότητα, Albert Einstein1915 θεωρία του βαρύτητα, ο οποίος εισήγαγε πρώτος την έννοια των βαρυτικών κυμάτων και των μαύρων οπών. «Εξερευνούμε πραγματικά ένα νέο σύνορο εδώ», δήλωσε ο Steven Giddings, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. είπε σε δήλωση.

Σχετίζεται με: Πώς οι χορευτικές μαύρες τρύπες πλησιάζουν αρκετά για να συγχωνευθούν

Βαρυτικά κύματα και γενική σχετικότητα

Η γενική σχετικότητα προβλέπει ότι τα αντικείμενα με μάζα παραμορφώνουν την ίδια τη δομή του χώρος και ο χρόνος -ενωμένος ως μια ενιαία, τετραδιάστατη οντότητα που ονομάζεται “χωροχρόνος”” – και αυτή η “βαρύτητα” όπως την αντιλαμβανόμαστε προκύπτει από την ίδια την καμπυλότητα.

Ακριβώς όπως μια μπάλα μπόουλινγκ που τοποθετείται σε ένα τεντωμένο φύλλο από καουτσούκ προκαλεί ένα πιο ακραίο «τρύπωμα» από μια μπάλα του τένις, μια μαύρη τρύπα προκαλεί μεγαλύτερη καμπυλότητα στο χωροχρόνο από ένα αστέρι και ένα αστέρι προκαλεί μεγαλύτερη καμπυλότητα από έναν πλανήτη. Στην πραγματικότητα, μια μαύρη τρύπα, στη γενική σχετικότητα, είναι ένα σημείο της ύλης τόσο πυκνό που προκαλεί μια καμπυλότητα του χωροχρόνου τόσο ακραία που, σε ένα όριο που ονομάζεται Ορίζοντας γεγονότωνούτε καν το φως δεν είναι αρκετά γρήγορο για να ξεφύγει από την κατάθλιψη μέσα.

Ωστόσο, αυτή δεν είναι η μόνη επαναστατική πρόβλεψη της γενικής σχετικότητας. Ο Αϊνστάιν προέβλεψε επίσης ότι όταν τα αντικείμενα επιταχύνονται, θα πρέπει να προκαλούν το ίδιο το ύφασμα του χωροχρόνου να δονείται με κυματισμούς που ονομάζονται βαρυτικά κύματα. Και πάλι, όσο πιο ογκώδη είναι τα εμπλεκόμενα αντικείμενα, τόσο πιο ακραίο είναι το φαινόμενο. Αυτό σημαίνει ότι όταν πυκνά σώματα όπως οι μαύρες τρύπες περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο, επιταχύνοντας συνεχώς λόγω της κυκλικής τους κίνησης, ο χωροχρόνος περιστρέφεται γύρω τους σαν ένα κουδούνι που χτυπά, δονούμενος με βαρυτικά κύματα.

Αυτοί οι κυματισμοί στο χωροχρόνο απογυμνώνουν τις σπειροειδείς μαύρες τρύπες από τη γωνιακή τους ορμή, η οποία με τη σειρά της προκαλεί τη συστολή των αμοιβαίων τροχιών των μαύρων οπών, φέρνοντάς τις πιο κοντά και αυξάνοντας τη συχνότητα των βαρυτικών κυμάτων που εκπέμπονται. Στριφογυρίζοντας όλο και πιο κοντά, οι μαύρες τρύπες τελικά συγχωνεύονται, δημιουργώντας μια θυγατρική μαύρη τρύπα και στέλνοντας ένα «σφύριγμα» βαρυτικών κυμάτων υψηλής συχνότητας που αντηχούν στον κόσμο.

Αλλά υπήρχε ένα πράγμα που έκανε λάθος ο Αϊνστάιν σχετικά με τα βαρυτικά κύματα. Ο μεγάλος φυσικός πίστευε ότι αυτοί οι κυματισμοί στο χωροχρόνο θα ήταν τόσο αδύναμοι που δεν θα ανιχνεύονταν ποτέ εδώ στον κόσμο. Γη μετά το ταξίδι το σύμπαν πάνω από εκατομμύρια, ή και δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Ωστόσο, τον Σεπτέμβριο του 2015, οι δίδυμοι ανιχνευτές του Παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων με συμβολόμετρο λέιζερ (LIGO), με έδρα την Ουάσιγκτον και τη Λουιζιάνα, έδειξε ότι ο Αϊνστάιν ήταν λάθος. Ανίχνευσαν GW150914, βαρυτικά κύματα που σχετίζονται με τη συγχώνευση μαύρων οπών που βρίσκονται περίπου 1,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός απών. Το σήμα βαρυτικού κύματος εντοπίστηκε ως αλλαγή στο μήκος ενός από τους βραχίονες λέιζερ μήκους 2,5 μιλίων (4 χιλιομέτρων) του LIGO, που ισοδυναμεί με το ένα χιλιοστό του πλάτους ενός πρωτόνιο.

Αξιοσημείωτο είναι ότι από τότε, το LIGO και οι συνάδελφοί του ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, Virgo στην Ιταλία και KAGRA στην Ιαπωνία, έχουν ανιχνεύσει πολλά περισσότερα τέτοια γεγονότα, φτάνοντας στο σημείο να ανιχνεύουν ένα συμβάν βαρυτικών κυμάτων την εβδομάδα. Αν και, ακόμη και ανάμεσα σε αυτό το κέρας ανιχνεύσεων βαρυτικών κυμάτων, το GW190521 ξεχωρίζει.

Ένα ειδικό συμβάν βαρυτικών κυμάτων

Μια προσομοίωση του γεγονότος συγχώνευσης της μαύρης τρύπας που δημιούργησε μια μαύρη τρύπα 250 φορές τη μάζα του Ήλιου.Μια προσομοίωση του γεγονότος συγχώνευσης της μαύρης τρύπας που δημιούργησε μια μαύρη τρύπα 250 φορές τη μάζα του Ήλιου.

Μια προσομοίωση του γεγονότος συγχώνευσης της μαύρης τρύπας που δημιούργησε μια μαύρη τρύπα 250 φορές τη μάζα του Ήλιου.

Η συχνότητα συγχώνευσης των δύο μαύρων οπών πίσω από το σήμα GW190521, οι οποίες βρίσκονται 8,8 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη, ήταν τόσο χαμηλή που μόνο κατά τις δύο τελευταίες τροχιές των μαύρων οπών η συχνότητα έγινε αρκετά υψηλή για να φτάσει τα όρια ευαισθησίας LIGO και Παρθένος.

Η ομάδα πίσω από αυτή τη νέα έρευνα – η οποία δεν αποτελεί μέρος της Συνεργασίας LIGO/Virgo – ήθελε να μάθει ποιες πληροφορίες σχετικά με τη βίαιη σύγκρουση και τη συγχώνευση αυτών των μαύρων οπών θα μπορούσαν να αποκλειστούν σε αυτό το σήμα.

Ανακάλυψαν ότι τη στιγμή που οι μαύρες τρύπες συγκρούστηκαν, η προκύπτουσα μαύρη τρύπα δημιουργήθηκε με στραβό σχήμα. Οι μαύρες τρύπες είναι σταθερές μόνο όταν έχουν σφαιρικό σχήμα, που σημαίνει ότι μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου από τη συγχώνευση, η κόρη της μαύρης τρύπας θα πρέπει να πάρει το σχήμα σφαίρας.

Ακριβώς όπως το σχήμα ενός κουδουνιού καθορίζει πόσο συχνά χτυπάει, η ομάδα είπε ότι καθώς αυτή η νέα μαύρη τρύπα άλλαξε σχήμα και σταθεροποιήθηκε, οι συχνότητες των βαρυτικών κυμάτων που εξέπεμπε άλλαξαν. Αυτά τα λεγόμενα βαρυτικά κύματα «δαχτυλιδιού-κάτω» περιείχαν πληροφορίες για τη μάζα της κόρης της μαύρης τρύπας και επίσης τον ρυθμό περιστροφής.

Σχετικές ιστορίες:

– Οι συγκρουόμενες μαύρες τρύπες «δαχτυλίζουν» στον χωροχρόνο με κυματισμούς βαρυτικών κυμάτων

— Οι συγκρουόμενες μαύρες τρύπες μπορούν να κρυφτούν υπό το φως των υπερφωτεινών κβάζαρ

– 2 συγχωνευμένες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που εντοπίστηκαν το «κοσμικό μεσημέρι» στο πρώιμο σύμπαν

Αυτό σημαίνει ότι τα βαρυτικά κύματα από μια τέτοια συγχώνευση προσφέρουν στους επιστήμονες έναν εναλλακτικό τρόπο μέτρησης των ιδιοτήτων της συγχώνευσης μαύρων οπών, σε αντίθεση με την παραδοσιακή μέθοδο χρήσης των βαρυτικών κυμάτων που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της σπειροειδούς διαδικασίας.

Η ομάδα βρήκε δύο ξεχωριστές συχνότητες στο σήμα βαρυτικών κυμάτων GW190521, οι οποίες, όταν εξεταστούν μαζί, δίνουν στη δημιουργημένη μαύρη τρύπα μάζα 250 ηλιακών μαζών. Αυτό σημαίνει ότι είναι πολύ πιο μαζικό από ό,τι υπολογίζεται χρησιμοποιώντας σπειροειδή βαρυτικά κύματα. Η ανίχνευση αυτών των βαρυτικών κυμάτων ήταν συγκλονιστική ακόμη και για την ομάδα πίσω από αυτές τις ανακαλύψεις.

«Ποτέ δεν πίστευα ότι θα έβλεπα μια τέτοια μέτρηση στη ζωή μου», είπε ο Badri Krishnan, συν-συγγραφέας της έρευνας και φυσικός στο Πανεπιστήμιο Radboud.

Η έρευνα της ομάδας περιγράφεται λεπτομερώς σε άρθρο που δημοσιεύτηκε στις 28 Νοεμβρίου στο περιοδικό Επιστολές φυσικής ανασκόπησης.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *