Fysiker anser att svarta hål är ett av de mest mystiska föremålen som finns. Ironiskt nog anses de också vara en av de enklaste. I flera år har fysiker som jag letat efter att bevisa att svarta hål är mer komplexa än de verkar. Och ett nyligen godkänt europeiskt rymduppdrag som heter LISA kommer att hjälpa oss med denna jakt.
Forskning från 1970-talet tyder på att du heltäckande kan beskriva ett svart hål med hjälp av endast tre fysiska attribut - deras massa, laddning och spinn. Alla andra egenskaper hos dessa massiva döende stjärnor, som deras detaljerade sammansättning, densitet och temperaturprofiler, försvinner när de förvandlas till ett svart hål. Så enkla är de.
Idén att svarta hål bara har tre attribut kallas "no-hair"-satsen, vilket antyder att de inte har några "håriga" detaljer som gör dem komplicerade.
I decennier har forskare inom astrofysikgemenskapen utnyttjat kryphål eller lösningar inom no-hair-satsens antaganden för att komma fram till potentiella scenarier med håriga svarta hål. Ett hårigt svart hål har en fysisk egenskap som forskare kan mäta – i princip – som är bortom dess massa, laddning eller spinn. Den här egenskapen måste vara en permanent del av dess struktur.
För ungefär ett decennium sedan visade Stefanos Aretakis, en fysiker för närvarande vid University of Toronto, matematiskt att ett svart hål som innehåller den maximala laddningen det kunde hålla – kallat ett extremt laddat svart hål – skulle utveckla "hår" vid sin horisont. Ett svart håls horisont är gränsen där allt som korsar det, även ljus, inte kan fly.
Aretakis analys var mer av ett tankeexperiment med ett mycket förenklat fysiskt scenario, så det är inte något som forskare förväntar sig att observera astrofysiskt. Men överladdade svarta hål kanske inte är den enda sorten som kan ha hår.
Eftersom astrofysiska objekt som stjärnor och planeter är kända för att snurra, förväntar sig forskare att svarta hål också skulle snurra, baserat på hur de bildas. Astronomiska bevis har visat att svarta hål har spinn, även om forskare inte vet vad det typiska spinvärdet är för ett astrofysiskt svart hål.
Med hjälp av datorsimuleringar har mitt team nyligen upptäckt liknande typer av hår i svarta hål som snurrar i maximal hastighet. Detta hår har att göra med förändringshastigheten, eller gradienten, av rum-tidens krökning vid horisonten. Vi upptäckte också att ett svart hål faktiskt inte skulle behöva vara maximalt snurrande för att ha hår, vilket är viktigt eftersom dessa maximalt snurrande svarta hål förmodligen inte bildas i naturen.
Mitt team ville utveckla ett sätt att potentiellt mäta detta hår – en ny fast egenskap som kan karakterisera ett svart hål bortom dess massa, spinn och laddning. Vi började undersöka hur en sådan ny egenskap kan lämna en signatur på en gravitationsvåg som emitteras från ett snabbt snurrande svart hål.
En gravitationsvåg är en liten störning i rum-tid som vanligtvis orsakas av våldsamma astrofysiska händelser i universum. Kollisioner mellan kompakta astrofysiska objekt som svarta hål och neutronstjärnor avger starka gravitationsvågor. Ett internationellt nätverk av gravitationsobservatorier, inklusive Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory i USA, upptäcker rutinmässigt dessa vågor.
Våra senaste studier tyder på att man kan mäta dessa håriga attribut från gravitationsvågdata för snabbt snurrande svarta hål. Att titta på gravitationsvågdata ger en möjlighet till en slags signatur som skulle kunna indikera om det svarta hålet har den här typen av hår.
Våra pågående studier och de senaste framsteg som gjorts av Som Bishoyi, en student i teamet, är baserade på en blandning av teoretiska och beräkningsmodeller av snabbt snurrande svarta hål. Våra fynd har inte testats på fältet ännu eller observerats i riktiga svarta hål ute i rymden. Men vi hoppas att det snart kommer att ändras.
I januari 2024 antog Europeiska rymdorganisationen formellt det rymdbaserade Laser Interferometer Space Antenna, eller LISA, uppdraget. LISA kommer att leta efter gravitationsvågor, och data från uppdraget kan hjälpa mitt team med våra håriga svarta hålsfrågor.
Formell antagande innebär att projektet har klartecken att gå över till byggskedet, med en planerad lansering 2035. LISA består av tre rymdfarkoster konfigurerade i en perfekt liksidig triangel som kommer att följa efter jorden runt solen. Rymdfarkosterna kommer var och en att vara 1,6 miljoner miles (2,5 miljoner kilometer) från varandra, och de kommer att utbyta laserstrålar för att mäta avståndet mellan varandra ner till ungefär en miljarddels tum.
LISA kommer att upptäcka gravitationsvågor från supermassiva svarta hål som är miljoner eller till och med miljarder gånger mer massiva än vår sol. Det kommer att bygga en karta över rum-tiden runt roterande svarta hål, vilket kommer att hjälpa fysiker att förstå hur gravitationen fungerar i närheten av svarta hål med en oöverträffad noggrannhetsnivå. Fysiker hoppas att LISA också kommer att kunna mäta alla håriga egenskaper som svarta hål kan ha.
Med LIGO som gör nya observationer varje dag och LISA för att ge en inblick i rum-tiden runt svarta hål, är nu en av de mest spännande tiderna att vara en svart håls fysiker.
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
