Denna simulering visar hur en sammanslagning av svarta hål skulle se ut för våra ögon om vi på något sätt kunde resa i ett rymdskepp för en närmare titt. Den skapades genom att lösa ekvationer från Albert Einsteins allmänna relativitetsteori med hjälp av LIGO-data från händelsen som heter GW150914. Kredit:SXS, projektet Simulating eXtreme Spacetimes (SXS).
När två svarta hål kolliderar, de smälter samman till ett större svart hål och ringer som en klocka, sänder ut krusningar i rum och tid som kallas gravitationsvågor. Inbäddade i dessa gravitationsvågor finns specifika frekvenser, eller toner, som är besläktade med enskilda toner i ett musikaliskt ackord.
Nu, forskare har upptäckt två sådana toner för första gången i "ringdown" av ett nybildat svart hål. Tidigare, det antogs att endast en enda ton kunde mätas och att ytterligare toner, kallas övertoner, skulle vara för svag för att upptäckas med dagens teknik.
"Innan, det var som om du försökte matcha ljudet av ett ackord från en gitarr med bara en enda sträng, " säger Matthew Giesler, en doktorand vid Caltech och andra författare till en ny studie som beskriver resultaten i numret den 12 september av Fysiska granskningsbrev . Giesler är huvudförfattare till en relaterad artikel som skickats till Physical Review X om tekniken som används för att hitta övertonerna.
Resultaten, som baserades på omanalys av data som fångats av National Science Foundations LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), har satt Albert Einsteins allmänna relativitetsteori på ett nytt slags prov. Eftersom sammanslagna svarta hål upplever krossande gravitation, studier av dessa händelser tillåter forskare att testa den allmänna relativitetsteorin under extrema förhållanden. I detta speciella fall, forskarna testade en specifik förutsägelse av allmän relativitet:att svarta hål kan beskrivas helt och hållet bara genom deras massa och spinnhastighet. Återigen, Einstein klarade provet.
"Den här typen av test hade föreslagits långt innan den första upptäckten, men alla förväntade sig att det skulle behöva vänta många år innan detektorer skulle vara tillräckligt känsliga, " säger Saul Teukolsky (Ph.D. '73), Robinson professor i teoretisk astrofysik vid Caltech och rådgivare till Giesler. "Detta resultat visar att vi kan börja utföra testet redan med dagens detektorer genom att inkludera övertonerna, ett oväntat och spännande resultat."
LIGO skrev historia 2015 när det gjorde den första någonsin direkta upptäckten av gravitationsvågor, 100 år efter att Einstein först förutspådde dem. Sedan dess, LIGO och dess Europabaserade partnerobservatorium, Jungfrun, har upptäckt nästan 30 gravitationsvåghändelser, som analyseras ytterligare. Många av dessa gravitationsvågor uppstod när två svarta hål kolliderade, sänder darr genom rymden.
"Ett nytt svart hål bildas ur en våldsam astrofysisk process och är därför i ett upprört tillstånd, " säger Maximiliano (Max) Isi (Ph.D. '18), huvudförfattare till Fysiska granskningsbrev studie, nu på MIT. "Dock, den kastar snabbt bort denna överskottsenergi i form av gravitationsvågor."
Som en del av Gieslers doktorandarbete, han började undersöka om övertoner kunde detekteras i aktuella gravitationsvågdata förutom huvudsignalen, eller ton, även om de flesta forskare trodde att dessa övertoner var för svaga. Han tittade specifikt på simuleringar av LIGO:s första upptäckt av gravitationsvågor, från en fusionshändelse med svarta hål känd som GW150914.
Under slutfasen av sammanslagningen, en tidsperiod som kallas ringdown, det nyligen sammanslagna svarta hålet skakar fortfarande. Giesler fann att övertonerna, som är högljudda men kortlivade, är närvarande i en tidigare fas av nedringningen än vad som tidigare hade realiserats.
"Detta var ett mycket överraskande resultat. Den konventionella visdomen var att när det kvarvarande svarta hålet hade lagt sig så att alla toner kunde upptäckas, övertonerna skulle ha förfallit nästan helt, säger Teukolsky, som också är professor i fysik vid Cornell University. "Istället, det visar sig att övertonerna är detekterbara innan huvudtonen blir synlig."
De nyfunna övertonerna hjälpte forskarna att testa "ingen hår"-satsen för svarta hål - tanken att det inte finns några andra egenskaper, eller "hår, " behövs för att definiera ett annat svart hål än massa eller spinn. De nya resultaten bekräftar att de svarta hålen inte har hår, men forskare misstänker att framtida tester av teorin, där ännu mer detaljerade observationer används för att undersöka sammanslagningar av svarta hål, kan visa annat.
"Einsteins teori kan gå sönder om det finns kvanteffekter på spel, säger Giesler.
"Newtons gravitationsteori klarar många tester där gravitationen är svag, men misslyckas fullständigt när det gäller att beskriva gravitationen när den är som mest extrem, som när det gäller att försöka beskriva sammanslagna svarta hål. Liknande, när vi så småningom undersöker signalen från svarta hål med ökande noggrannhet, det är möjligt att till och med allmän relativitet en dag kan misslyckas på testet."
Under de närmaste åren, planerade uppgraderingar till LIGO och Jungfrun kommer att göra observatorierna ännu mer känsliga för gravitationsvågor, avslöjar mer dolda toner.
"Ju större och starkare en händelse, desto mer sannolikt kan LIGO fånga upp dessa övertoner, " säger Alan Weinstein, en professor i fysik vid Caltech och en medlem av LIGO Laboratory, som inte är associerad med denna studie. "Med LIGOs första upptäckt av gravitationsvågor, vi bekräftade förutsägelser gjorda av allmän relativitetsteori. Nu, genom att söka efter övertoner, och till och med svagare signaler som kallas högre ordningslägen, vi letar efter djupare tester av teorin, och till och med potentiella bevis på att teorin går sönder."
Säger Isi, "Steg för steg, svarta hål kommer att kasta bort sina mysterier, revolutionerar vår förståelse av gravitationen, Plats, och tid."
