Om Albert Einsteins allmänna relativitetsteori stämmer, sedan ett svart hål, född från de kosmiskt skakande kollisionerna mellan två massiva svarta hål, borde själv "ringa" i efterdyningarna, producerar gravitationella vågor ungefär som en slagen klocka reverbates ljudvågor. Einstein förutspådde att den speciella tonhöjden och förfallet för dessa gravitationsvågor borde vara en direkt signatur på det nybildade svarta hålets massa och snurr.

Nu, fysiker från MIT och på andra håll har "hört" ringen av ett svart hål för ett första barn, och fann att mönstret för denna ringning gör, faktiskt, förutsäga det svarta hålets massa och snurr - mer bevis på att Einstein hade rätt hela tiden.

Resultaten, publicerad idag i Fysiska granskningsbrev , gynnar också tanken på att svarta hål saknar någon form av "hår" - en metafor som hänvisar till tanken att svarta hål, enligt Einsteins teori, ska uppvisa bara tre observerbara egenskaper:massa, snurra, och elektrisk laddning. Alla andra egenskaper, som fysikern John Wheeler kallade "hår, "bör sväljas av själva svarta hålet, och skulle därför vara obemärkt.

Teamets resultat idag stöder tanken att svarta hål är, faktiskt, hårlös. Forskarna kunde identifiera mönstret för ett svart håls ringning, och, med Einsteins ekvationer, beräknade massan och snurren som det svarta hålet ska ha, med tanke på dess ringmönster. Dessa beräkningar matchade mätningar av det svarta hålets massa och snurr som tidigare gjorts av andra.

Om lagets beräkningar avvek signifikant från mätningarna, det skulle ha föreslagit att det svarta hålets ringning kodar för andra egenskaper än massa, snurra, och elektrisk laddning - spännande bevis på fysik utöver vad Einsteins teori kan förklara. Men som det visar sig, det svarta hålets ringmönster är en direkt signatur på dess massa och snurr, ger stöd för tanken att svarta hål är skalliga jättar, saknar något främmande, hårliknande egenskaper.

"Vi förväntar oss alla att den allmänna relativiteten är korrekt, men det är första gången vi bekräftar det på detta sätt, "säger studiens huvudförfattare, Maximiliano Isi, en NASA Einstein -stipendiat vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Detta är den första experimentella mätningen som lyckas direkt testa satsen utan hår. Det betyder inte att svarta hål inte kunde ha hår. Det betyder att bilden av svarta hål utan hår lever i ytterligare en dag."

Ett kvittrande, avkodade

Den 9 september 2015, vetenskapsmän gjorde den första upptäckten av gravitationella vågor-oändligt små krusningar i rymdtid, som kommer från det avlägsna, våldsamma kosmiska fenomen. Upptäckten, heter GW150914, gjordes av LIGO, laserinterferometern Gravitationsvågsobservatorium. När forskare väl rensat bort bullret och zoomat in på signalen, de observerade en vågform som snabbt kränktes innan den bleknade. När de översatte signalen till ljud, de hörde något som liknade ett "kvittring".

Forskare bestämde att gravitationsvågorna utlöstes genom att två massiva svarta hål snabbt inspirerades. Toppen av signalen - den högsta delen av kvittret - kopplad till just det ögonblick då de svarta hålen kolliderade, går samman till en singel, nytt svart hål. Medan detta spädbarns svarta hål sannolikt avgav sina egna gravitationella vågor, dess signatur ringer, fysiker antog, skulle vara för svagt för att dechiffrera mitt i ljudet från den första kollisionen.

Isi och hans kollegor, dock, hittade ett sätt att extrahera det svarta hålets efterklang från ögonblicken omedelbart efter signalens topp. I tidigare arbeten som leds av Isis medförfattare, Matthew Giesler, laget visade genom simuleringar att en sådan signal, och särskilt delen strax efter toppen, innehåller "övertoner" - en familj av högljudda, kortlivade toner. När de analyserade om signalen, med hänsyn till övertoner, forskarna upptäckte att de framgångsrikt kunde isolera ett ringmönster som var specifikt för ett nybildat svart hål.

I lagets nya tidning, forskarna tillämpade denna teknik på faktiska data från GW150914 -detektionen, koncentrerar sig på signalens sista millisekunder, omedelbart efter kvittret. Med beaktande av signalens övertoner, de kunde urskilja en ringning från det nya, spädbarns svarta hål. Specifikt, de identifierade två olika toner, var och en med en tonhöjd och sönderfallshastighet som de kunde mäta.

"Vi upptäcker en övergripande gravitationell vågsignal som består av flera frekvenser, som försvinner med olika hastigheter, som de olika tonhöjden som utgör ett ljud, "Isi säger." Varje frekvens eller ton motsvarar en vibrationsfrekvens för det nya svarta hålet. "

Lyssnar bortom Einstein

Einsteins allmänna relativitetsteori förutspår att tonhöjden och sönderfallet i ett svart håls gravitationella vågor ska vara en direkt produkt av dess massa och snurr. Det är, ett svart hål av en given massa och snurr kan bara producera toner av en viss tonhöjd och förfall. Som ett test av Einsteins teori, laget använde ekvationerna för allmän relativitet för att beräkna det nybildade svarta hålets massa och snurr, med tanke på tonhöjden och förfallet för de två toner de upptäckte.

De fann att deras beräkningar matchade mätningar av det svarta hålets massa och snurr som tidigare gjorts av andra. Isi säger att resultaten visar att forskare kan, faktiskt, använd det högst, mest påvisbara delar av en gravitationell vågsignal för att urskilja ett nytt svart håls ringning, var innan, forskare antog att denna ringning bara kunde detekteras inom den mycket svagare änden av gravitationsvågssignalen, och bara med mycket mer känsliga instrument än vad som för närvarande finns.

"Detta är spännande för samhället eftersom det visar att den här typen av studier är möjliga nu, inte om 20 år, Säger Isi.

När LIGO förbättrar sin upplösning, och mer känsliga instrument kommer online i framtiden, forskare kommer att kunna använda gruppens metoder för att "höra" ringen från andra nyfödda svarta hål. Och om de råkar plocka upp toner som inte riktigt matchar Einsteins förutsägelser, det kan vara ännu mer spännande.

"I framtiden, vi har bättre detektorer på jorden och i rymden, och kommer att kunna se inte bara två, men tiotals lägen, och fastställa deras egenskaper exakt, "Isi säger." Om det här inte är svarta hål som Einstein förutspår, om de är mer exotiska föremål som maskhål eller bosonstjärnor, de kanske inte ringer på samma sätt, och vi har en chans att se dem. "