2017-ben a gravitációs hullám úgy hangzott, mint a harang tiszta hangja. Minden embert, hangyát és tudományos műszert megfeszített és elcsúsztatott a bolygón, amikor áthaladtunk a térségi térségünkön. Most a kutatók visszatértek és tanulmányozták ezt a hullámot, és rejtett adatokat találtak benne - olyan adatokat, amelyek megerősítik az évtizedes asztrofizika ötletét.
Ez a 2017-es hullám nagy ügy volt: először a csillagászoknak volt egy olyan eszköze, amely képes detektálni és rögzíteni azt az áthaladáskor, a Lézer-interferométer gravitációs-hullám-megfigyelőközpontja (LIGO). Ez az első hullám azt eredményezte, hogy két fekete lyuk összeomlik messze az űrben. És most, az asztrofizikusok egy csoportja újból megnézi a felvételt, és talált valamit, amit mások szerint évtizedekig kellene feltárni: a "nem haj" tétel pontos megerősítése. A fekete lyuk elméletének ez a lényeges aspektusa legalább az 1970-es évekre nyúlik vissza - ez egy tétel, amelyet Stephen Hawking híresen kételkedett.
Amikor a fizikusok azt mondják, hogy a fekete lyukaknak nincs "hajuk" - mondta Maximiliano Isi, a MIT fizikusa és a cikk vezető szerzője, azt értik, hogy az asztrofizikai tárgyak nagyon egyszerűek. A fekete lyukak csak három szempontból különböznek egymástól: a centrifugálási sebesség, a tömeg és az elektromos töltés. És a való világban a fekete lyukak valószínűleg nem különböznek nagyban az elektromos töltésen, tehát valójában csak a tömeg és a centrifugálás szempontjából különböznek egymástól. A fizikusok ezeket a kopasz tárgyakat "Kerr fekete lyukaknak" hívják.
Ez a szőrtelenség a fekete lyukakat nagyon különbözteti meg az univerzum minden más tárgyától - mondta Isi a Live Science-nek. Amikor például egy harang cseng, hanghullámokat bocsát ki, és észlelhetetlen, hihetetlenül halvány gravitációs hullámokat bocsát ki. De ez egy sokkal bonyolultabb tárgy. Egy harang például anyagból készül (talán bronz vagy öntöttvas), míg a haj nélküli modell szerint a fekete lyukak mindegyike egységes szingularitás. Mindegyik harangnak meglehetősen egyedi alakja van, míg a fekete lyukak mind a végtelen, méret nélküli pontok a gömbös eseményhorizont által körülvett térben. A harang mindegyik tulajdonsága érzékelhető a csengő által kiadott hangban - legalábbis, ha tud valamit a harangokról és a hanghullámokról. Ha valamilyen módon érzékelné a harang gravitációs hullámait, akkor a harang összetételében és az alakjában tapasztalható különbségeket is felfedezné velük - mondta Isi.
"Az egész üzlet titka, hogy a hullámforma - ennek a nyújtásnak és szorításnak a mintája - információkat kódol a forrásról, az a dolog, amely ezt a gravitációs hullámot készítette" - mondta a Live Science-nek.
És a 2017. évi hullámot vizsgáló csillagászok sokat tudtak meg arról, hogy milyen fekete lyuk ütközik, ami azt okozta - mondta Isi.
De a felvétel halvány volt, és nem túl részletesebb. A világ legjobb gravitációs hullámdetektorát a LIGO lézerrel mérte meg a tükrök közötti távolságot, amely 2,5 mérföld (4 kilométer) távolságra van elhelyezve egy L-mintázatban Washington államban. (A Szűz, egy hasonló detektor) szintén felvette a hullámot Olaszországban.) Ahogy a hullám a LIGO fölé gördült, maga a tér-idő elhúzódott, és valaha annyira megváltoztatta ezt a távolságot. De a gravitációs hullám részletei nem voltak elég intenzívek ahhoz, hogy az érzékelők rögzítsék - mondta Isi.
"De olyan, mintha nagyon távolról hallgatnánk" - mondta Isi.
Abban az időben ez a hullám sok információval szolgált. A fekete lyuk a várt módon viselkedett. Nem volt nyilvánvaló bizonyíték arra, hogy hiányzik az eseményhorizontja (a régió, amelyen kívül nem tud menekülni a fény), és hogy drámaian nem tér el a "nem haj" tételtől - mondta Isi.
De a kutatók nem voltak biztosak abban, hogy ezek közül sok szempontból, különös tekintettel a haj nélküli tételre. Isi szerint a vizsgált hullámforma legegyszerűbb része az volt, hogy a két fekete lyuk egy nagyobb fekete lyukba egyesült. Egy ideig csengett, nagyon hasonlítva a becsapott haranghoz, és felesleges energiáját gravitációs hullámként továbbította az űrbe - amit az asztrofizikusok hívnak "gyűrűs" folyamatnak.
Abban az időben a LIGO-adatokat vizsgáló kutatók csak egy hullámformát észleltek a körforgásban. A kutatók úgy gondolták, hogy évtizedekbe telik az, hogy olyan érzékeny eszközöket fejlesszenek ki, amelyekkel bármiféle csendesebb felhang felvehető a csengőhangban. Isi egyik kollégája, Matt Giesler, a kaliforniai Technológiai Intézet fizikusa rájött, hogy közvetlenül az ütközés után volt egy rövid idõszak, amikor a visszafordulás elég intenzív volt, hogy a LIGO a szokásosnál részletesebben rögzítsen. És abban a pillanatban a hullám annyira hangos volt, hogy a LIGO felvette a hangot - egy második hullámot más frekvencián, nagyon hasonlóan a halvány másodlagos hangokhoz, amelyeket egy csengő cseng.
A hangszerekben a felhangok azoknak az információknak a nagy részét hordozzák, amelyek megkülönböztető hangjukat adják a hangszereknek. Ugyanez vonatkozik a gravitációs hullám felhangjaira - mondta. És ez az újonnan fel nem fedezett felhang nagymértékben tisztázta a csengő fekete lyuk adatait - mondta Isi.
Azt mondta, azt mondta, hogy a fekete lyuk legalább nagyon közel volt egy Kerr fekete lyukhoz. A haj nélküli tétel alapján megjósolhatjuk, hogy fog kinézni a felszín; Isi és csapata megmutatta, hogy a felhang nagyjából megegyezik ezzel az előrejelzéssel. A felhang felvétele azonban nem volt egyértelmű, ezért továbbra is lehetséges, hogy a hang kissé különbözik - körülbelül 10% -kal - attól, amit a tétel megjósolna…
Azért, hogy meghaladja ezt a pontossági szintet, azt mondta: tisztább felületet kell vonnia a fekete lyukkal történő ütközés hullámformájából, vagy éppen érzékenyebb műszert kell készítenie, mint a LIGO - mondta Isi.
"A fizika az, hogy közelebb kerüljünk egymáshoz" - mondta Isi. "De soha nem lehet biztos benne."
Még az is lehetséges, hogy a felhangos jel nem valós, hanem véletlenszerűen történt az adatok véletlenszerű ingadozása miatt. "3,6σ-os bizalomról" számoltak be a felhang létezéséről. Ez azt jelenti, hogy körülbelül egy a 6,300-ból esély, hogy a felhang nem valódi jel a fekete lyukból.
Ahogy az eszközök javulnak, és több gravitációs hullámot észlelnek, ezeknek a számoknak magabiztosabbaknak és pontosabbaknak kell lenniük - mondta Isi. A LIGO már olyan frissítéseken ment keresztül, amelyek meglehetősen rutinszerűvé tették a fekete lyukkal történő ütközések észlelését. Egy másik, 2020 közepére tervezett frissítés tízszeresére növeli érzékenységét, állítja a Physics World. Miután a 2030-as évek közepén elindították az űralapú lézeres interferométeres űrantennát (LISA), a csillagászoknak képesnek kell lenniük arra, hogy a fekete lyukak hajtalanságát bizonytalanságig megerősítsék ma.
Isi szerint azonban mindig előfordulhat, hogy a fekete lyukak nem teljesen kopaszak - előfordulhat, hogy vannak olyan kvantum-őszibarack-fuzzuk, amely egyszerűen túl puha és rövid ahhoz, hogy hangszereinket felvegye.
