Drgania czarnych dziur mogą ujawnić nowe tajemnice tych niezwykłych obiektów

Naukowcy opracowali nową metodę analizowania fal grawitacyjnych powstających podczas zderzeń czarnych dziur. Dzięki niej astronomowie mogą dokładniej wykrywać charakterystyczne „drgania” nowo powstałych czarnych dziur, co może pomóc w testowaniu teorii Alberta Einsteina i badaniu najbardziej ekstremalnych zjawisk we Wszechświecie.

Drgania czarnych dziur i fale grawitacyjne

W ramach nowego badania naukowcy z University of Cambridge opracowali technikę analizowania, jak czarne dziury „drgają”, gdy zderzają się i łączą podczas jednych z najbardziej niezwykłych wydarzeń we Wszechświecie. Podczas tych fuzji tworzą się nowe, większe obiekty, które „drgają” – co przypomina szarpniętą strunę gitary lub dzwon – zanim osiągną swój ostateczny, stabilny kształt. Te nowo powstałe czarne dziury drgają falami grawitacyjnymi – zmarszczkami czasoprzestrzeni po raz pierwszy przewidzianymi przez Albert Einstein. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

Czarne dziury, które rodzą się w wyniku zderzenia, drgają z określonym zestawem częstotliwości zależnym od ich masy i prędkości obrotu, co pomaga astronomom badać ich właściwości oraz obiekty, z których powstały.

Te drgania, znane jako mody quasinormalne (quasinormal modes – w ruchu falowym rodzaj drgania), są swego rodzaju cechą charakterystyczną czarnej dziury. Ich wykrywanie ma kluczowe znaczenie dla testowania ogólnej teorii względności Einsteina w najbardziej ekstremalnych środowiskach grawitacyjnych we Wszechświecie.

Badanie zderzeń czarnych dziur

W nowym badaniu naukowcy opracowali metodę pozwalającą identyfikować i katalogować te mody z większą dokładnością niż dotychczas. Astronomowie analizowali symulacje komputerowe zderzeń czarnych dziur i zidentyfikowali nie tylko podstawową „nutę”, z jaką drgają te obiekty, lecz także „nadtony” – słabsze harmoniczne, które zanikają szybciej.

„Podczas gdy najsilniejsze mody (drgania) były obserwowane w danych dotyczących fal grawitacyjnych, wiele słabszych było dotychczas znacznie trudniejszych do wykrycia i trwa debata nad tym, które z nich są obecne i kiedy się pojawiają. Nasza metoda zapewnia systematyczny, oparty na danych sposób rozwiązania tej niepewności, a nasze wyniki stanowią punkt odniesienia zarówno dla badań teoretycznych, jak i rzeczywistych obserwacji” – mówi Richard Dyer.

Badacze oparli swoją metodę na wnioskowaniu bayesowskim – technice statystycznej, która systematycznie ocenia dowody w celu określenia najbardziej prawdopodobnego wyjaśnienia dla danego zestawu danych.

Oprócz podstawowych „nut” i „nadtonów” naukowcy znaleźli również nietypowe „mody nieliniowe” („nonlinear modes”) w danych – drgania powstające, gdy dwie lub więcej podstawowych częstotliwości oddziałują ze sobą. Jak opisują naukowcy, „były one analogiczne do złożonych tonów, jakie może wydawać gitara elektryczna grająca z mocnym przesterowaniem”. Wykrywanie tych modów wymaga danych wysokiej jakości oraz starannej analizy pozwalającej odróżnić je od szumu.

„Faza wygaszania drgań jest jednym z najbardziej bezpośrednich sposobów badania czarnych dziur, ale wydobycie wszystkich zawartych w niej informacji jest trudne. Chcieliśmy opracować oparty na danych, metodyczny sposób, by to zrobić” – podkreśla Richard Dyer.

Astronomowie zastosowali swoją metodę do ogólnie dostępnego katalogu bardzo dokładnych symulacji modelujących fale grawitacyjne aż do teoretycznej granicy, przy której można je czysto zmierzyć. Zarejestrowali, które mody były wykrywalne i kiedy, w szerokim zakresie symulowanych zderzeń czarnych dziur o różnych stosunkach mas i konfiguracjach obrotów.

Nowa metoda pomoże testować teorię względności

Naukowcy wskazują, że ich badania będą przydatne przy interpretacji danych z istniejących detektorów fal grawitacyjnych, takich jak LIGO i Virgo, a także przyszłych instrumentów. Wiedza o tym, których częstotliwości należy szukać w danym zderzeniu, może umożliwić astronomom jeszcze dokładniejsze testy ogólnej teorii względności, takie jak na przykład sprawdzenie, czy właściwości powstałej w wyniku zderzenia czarnej dziury są zgodne z przewidywaniami równań Einsteina.

Emil Gołoś