To podważy fundamenty fizyki? Przełomowa metoda badania czarnych dziur!
Od blisko sześćdziesięciu lat ogólna teoria względności głosi, że czarne dziury opisują wyłącznie dwie wielkości: masa i moment pędu (spin). Zespół naukowców kierowany przez badaczy z Uniwersytetu Nagoya w Japonii opracował nową metodę sprawdzania, czy niektóre czarne dziury mogą kryć coś więcej.
Gdy dwie czarne dziury zderzają się i łączą, nowo powstała czarna dziura „dzwoni jak dzwon”, wysyłając fale grawitacyjne o określonych częstotliwościach, które z czasem zanikają. Zjawisko to nazywane jest ringdown i może kryć informacje o materii ukrytej wokół czarnej dziury – w fizyce teoretycznej taką dodatkową strukturę określa się mianem „włosów” czarnej dziury.
Zgodnie z prostymi zasadami Einsteina dla najprostszego typu czarnej dziury, fale ringdown zależą wyłącznie od masy i prędkości obrotu obiektu. Zespół z Nagoya University wykazał jednak, że jeśli wokół czarnej dziury znajduje się ukryta materia, wpływa ona na częstotliwość i tempo wygasania fal w różny sposób – a ta różnica może zdradzać obecność ukrytej materii oraz sposób, w jaki rozłożone jest jej ciśnienie wokół czarnej dziury.
Aby to sprawdzić, badacze wykorzystali znaną zależność między sposobem, w jaki światło krąży blisko czarnej dziury, a zachowaniem fal ringdown – jedno można obliczyć na podstawie drugiego. Do standardowych modeli czarnych dziur dodano niewielką ilość ukrytej materii i za pomocą równań Einsteina obliczono, jak zmienia ona częstotliwość i tempo zanikania sygnału. Metodę przetestowano na trzech dobrze znanych teoretycznych modelach czarnych dziur.
Wirujące czarne dziury komplikują obraz
Zespół rozszerzył analizę na wirujące czarne dziury, badając zarówno światło krążące zgodnie z kierunkiem spinu, jak i przeciwnie do niego. Jak wyjaśniła pierwsza autorka pracy, Ariadna Uxue Palomino Ylla, doktorantka z Nagoya University, ukryta materia zmienia częstotliwość i tempo wygasania fal ringdown w różny sposób w zależności od kierunku spinu, a dokładny wzorzec zależy od rodzaju obecnej ukrytej materii.
Naukowcy podkreślają, że wykrycie „włosów” czarnej dziury jest trudne, ponieważ różne rodzaje dodatkowej materii lub nowej fizyki mogą zmieniać sygnał ringdown na wiele sposobów. Nowa metoda daje jednak badaczom jaśniejszy obraz tego, jakich wzorców szukać w przyszłych danych obserwacyjnych. Zamiast analizować każdy możliwy rodzaj „włosów” od podstaw, opracowane podejście daje wspólny sposób przewidywania, jak dodatkowa materia lub nieznana fizyka mogłyby wpłynąć na sygnał ringdown danej czarnej dziury.
Choć wyniki mają charakter wczesnych szacunków, metoda ta może w przyszłości pomóc naukowcom wykorzystać fale grawitacyjne do określenia rozmiaru, spinu, a także obecności ukrytych „włosów” wokół realnie obserwowanych czarnych dziur.
Wyniki opublikowano w „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics”.
Źródło: Uniwersytet Nagoya
Czytaj też: Niezwykłe odkrycie planetologów. Potężne uderzenia niszczą podpowierzchniowe oceany!
Grafika tytułowa: Frantisek Duris / Unsplash
