En öppen fråga bland fysikgemenskapen är om svarta hål kan deformeras av ett yttre gravitationsfält. Om detta skulle bekräftas vara sant, det kan få viktiga konsekvenser för många områden inom fysiken, inklusive grundläggande fysik, astrofysik och gravitationsvågastronomi.

Forskare vid Observatoire de Paris-CNRS och Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas (CBPF) genomförde nyligen en studie som undersökte tidvattendeformerbarheten hos svarta hål under en yttre, statiskt gravitationsfält. Deras papper, publiceras i Fysiska granskningsbrev , föreslår att under ett sådant område, snurrande svarta hål kan i allmänhet deformeras.

"Idén till detta arbete uppstod delvis från ett par samtal under den internationella konferensen om allmän relativitet och gravitation (GR22) 2019, "Marc Casals, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Under dessa samtal, talarna diskuterade neutronstjärnornas deformerbarhet på grund av ett yttre gravitationellt tidvattenfält. De nämnde också att i motsats till neutronstjärnor, den (statiska) tidvattendeformerbarheten för icke-roterande svarta hål är noll, som framgår av flera studier. Detta resultat väckte omedelbart frågan om den (statiska) tidvattendeformerbarheten hos roterande svarta hål också är noll."

Deformerbarheten hos roterande svarta hål under ett statiskt gravitationsfält hade redan undersökts av ett team av forskare vid Sapienza-universitetet i Rom. I en tidning publicerad 2015, dessa forskare visade att när det statiska tidvattenfältet är symmetriskt med avseende på ett svart håls rotationsaxel, det svarta hålets deformerbarhet är noll.

I deras studie, Casals och hans kollega Alexandre Le Tiec ville undersöka deformerbarheten hos roterande svarta hål när tidvattenfältet som appliceras på dem är godtyckligt (d.v.s. inte nödvändigtvis axelsymmetrisk). Detta är en särskilt viktig fråga, eftersom alla astrofysiska svarta hål tros rotera; Således, eventuella yttre tidvattenfält skulle vanligtvis inte vara axelsymmetriska.

"Tidigare tidningar gav oss några ledtrådar om vilka metoder vi ska använda, " Casals förklarade. "En av dem var en specifik matematisk teknik:att låta det så kallade multipolära indexet tillfälligt ta på reella tal, medan dess fysiska värden är avsedda att vara rena heltal (t.ex. 2, 3, 4, ...)."

Den matematiska teknik som används av Casals och Le Tiec kan användas för att distrahera tidvattendeformationen av ett svart hål från det yttre tidvattenfältet som orsakade det, för att sedan ställa in det multipolära indexet till ett fysiskt heltal. Trots sina fördelar, dock, denna teknik är förmodligen svår att använda direkt på ekvationer som tillfredsställs av själva gravitationsfältet.

"Istället, vi applicerade det först på en annan kvantitet, som involverar derivator av gravitationsfältet (det mäter i huvudsak rumtidens krökning) och, avgörande, uppfyller en enklare ekvation som härleddes i en tidigare artikel av S. Teukolsky, " sa Casals. "Från denna mängd, vi kan då få gravitationsfältet."

Mätningen av ett gravitationsfält beror på vem dess "observatör" är, eller, i matematiska termer, på koordinatsystemet. Därför, som ett sista steg, Casals och Le Tiec byggde kvantiteter som är oberoende av observatören (eller koordinaterna), så att de kunde identifiera tidvattendeformerbarheten hos roterande svarta hål på ett sätt som verkligen var meningsfullt.

"Dessa observatörsoberoende storheter är de så kallade Geroch-Hansen multipolmomenten, uppkallad efter författarna som kom på dem (dvs. R. P. Geroch 1970 och R.O. Hansen 1974), sa Casals.

Övergripande, beräkningarna utförda av detta team av forskare visar att roterande svarta hål generiskt deformeras under ett externt och statiskt gravitationsfält. Detta resultat står i skarp kontrast till tidigare studieresultat relaterade till icke-roterande svarta hål eller roterande svarta hål med ett axelsymmetriskt tidvattenfält.

"Vi beräknade denna deformation explicit för fallet med ett svagt tidvattenfält med multipolärt index lika med 2 och för små svarta håls rotation, ", sa Casals. "Dessutom, vi kopplade denna tidvattendeformation till den tidigare kända effekten av tidvattensvridning; en förändring i det svarta hålets rörelsemängd på grund av tidvattenfältet."

Fynden som samlats in av Casals och Le Tiec kan bana väg för fler studier som undersöker deformerbarheten hos snurrande svarta hål under ett statiskt tidvattenfält. I deras tidning, forskarna spekulerar också om möjligheten att en sådan tidvattendeformation kan observeras inom gravitationsvågorna som förväntas detekteras av uppdraget Laser Interferometer Space Antenna (LISA), som är planerad till 2034.

"Vår forskning kan naturligtvis utvidgas i ett antal riktningar, " Alexandre Le Tiec sa till Phys.org. "Vi kunde, till exempel, undersöka tidvattendeformerbarheten hos spinnande svarta hål:(i) för multipolärt index högre än 2; (ii) för rotation av stora svarta hål; eller (iii) för ett starkt tidvattenfält. Det skulle också vara intressant att utforska den exakta kopplingen mellan tidvattendeformerbarhet, tidvattenuppvärmning och icke-nollviskositeten för händelsehorisonten för svarta hål inom det så kallade membranparadigmet."

© 2021 Science X Network