Svart hål kusp. Kredit:ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery
Ett team av gravitationsvågforskare ledda av ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) rapporterar att när två svarta hål kolliderar och smälter samman, det svarta hålet "kvittrar" inte en enda gång, men flera gånger, sänder ut gravitationsvågor - intensiva krusningar i tygets rum och tid - som avslöjar information om dess form. Deras studie har publicerats i Kommunikationsfysik .
Svarta hål är bland de mest fascinerande föremålen i universum. På deras yta, känd som händelsehorisonten, gravitationen är så stark att inte ens ljus kan komma ut. Vanligtvis, svarta hål är tysta föremål som sväljer allt som faller för nära dem; dock, när två svarta hål kolliderar och smälter samman, de producerar en av de mest katastrofala händelserna i universum:på en bråkdel av en sekund, ett mycket deformerat svart hål bildas och frigör enorma mängder energi när det sätter sig till sitt slutliga tillstånd. Detta fenomen ger astronomer en unik chans att observera snabbt föränderliga svarta hål och utforska gravitationen i dess mest extrema form.
Även om kolliderande svarta hål inte producerar ljus, astronomer kan observera de upptäckta gravitationsvågorna de skapar – krusningar i väven av rum och tid. Forskare spekulerar i att efter en kollision, beteendet hos det kvarvarande svarta hålet är nyckeln till att förstå gravitationen och bör kodas i de emitterade gravitationsvågorna.
I artikeln publicerad i Kommunikationsfysik , forskarna, ledd av OzGrav alumn Prof. Juan Calderón Bustillo, rapporterar hur gravitationsvågor kodar formen av sammanslagna svarta hål när de sätter sig i sin slutliga form.
Fig. 1. a:Stadierna i en sammanslagning av svarta hål. Först, båda svarta hålen kretsar runt varandra, sakta närmar sig, under det inspirerande skedet. För det andra smälter de två svarta hålen samman, bildar ett förvrängt svart hål. Till sist, det svarta hålet når sin slutgiltiga form. b:Frekvensen för gravitationsvågsignalerna observerade från toppen av kollisionen (längst till vänster) och från olika positioner på dess ekvator (vila) som funktion av tiden. Den första signalen visar den typiska "kvitter"-signalen, där frekvensen ökar som en funktion av tiden. De andra tre visar att efter kollisionen (vid t=0) sjunker frekvensen och stiger igen, producerar ett andra "chirp". Kredit:C. Evans, J. Calderón Bustillo
Doktorand och medförfattare Christopher Evans från Georgia Institute of Technology (USA) säger, "Vi utförde simuleringar av svarta hålskollisioner med hjälp av superdatorer och jämförde sedan den snabbt föränderliga formen av det kvarvarande svarta hålet med gravitationsvågorna det sänder ut. Vi upptäckte att dessa signaler är mycket rikare och mer komplexa än vad man brukar tro, så att vi kan lära oss mer om den kraftigt förändrade formen på det sista svarta hålet."
Gravitationsvågorna från kolliderande svarta hål är enkla signaler som kallas "kvitter". När de två svarta hålen närmar sig varandra, de avger en signal med ökande frekvens och amplitud som anger omloppsbanans hastighet och radie. Prof. Calderón Bustillo säger, "Signalens tonhöjd och amplitud ökar när de två svarta hålen närmar sig snabbare och snabbare. Efter kollisionen, det sista svarta hålet avger en signal med konstant tonhöjd och avtagande amplitud - som ljudet av en klocka som slås." Denna princip är förenlig med alla gravitationsvågobservationer hittills när man studerar kollisionen från toppen.
Dock, studien fann att något helt annat händer om kollisionen observeras från "ekvatorn" i det sista svarta hålet. "När vi observerade svarta hål från deras ekvator, vi fann att det sista svarta hålet avger en mer komplex signal, med en tonhöjd som går upp och ner några gånger innan den dör, " säger prof. Calderón Bustillo. "Med andra ord, det svarta hålet kvittrar faktiskt flera gånger."
Fig. 2. Detalj av formen av det kvarvarande svarta hålet efter en svarthålskollision, med en "kastanjform". Regioner med stark gravitationsvågemission (i gult) hopar sig nära dess spets. Det här svarta hålet snurrar och gör spetsen till alla observatörer runt det. Kredit:C. Evans, J. Calderón Bustillo
Teamet upptäckte att detta är relaterat till formen på det sista svarta hålet, som fungerar som en slags gravitationsvågsfyr:"När de två ursprungliga svarta hålen är av olika storlek, det sista svarta hålet ser till en början ut som en kastanj, med en spets på ena sidan och en bredare, mjukare rygg på den andra, " säger Bustillo. "Det visar sig att det svarta hålet avger mer intensiva gravitationsvågor genom sina mest krökta områden, som är de som omger dess spets. Detta beror på att det kvarvarande svarta hålet också snurrar och dess spets och baksida pekar upprepade gånger på alla observatörer, producerar flera pip."
Medförfattare Prof. Pablo Laguna, tidigare ordförande för School of Physics vid Georgia Tech och nu professor vid University of Texas i Austin, sa, "Medan ett samband mellan gravitationsvågorna och beteendet hos det sista svarta hålet har antagits länge, vår studie ger det första explicita exemplet på denna typ av relation."
