Forskare vid Max Planck Institute for Gravitational Physics, Rochester Institute of Technology och Perimeter Institute for Theoretical Physics har nyligen samlat starka numeriska bevis för ett nytt fenomen som utspelar sig i binära svarta håls inre. I deras studie, publicerad i Fysiska granskningsbrev , de samlade observationer som kunde erbjuda spännande ny insikt om sammanslagning av marginellt yttre fångade ytor (MOTS) i ett binärt svart hål (BBH), ett system som består av två svarta hål i nära omloppsbana runt varandra.

"Det är ett underskattat faktum att händelsehorisonter inte är särskilt användbara för att studera astrofysiska egenskaper hos sammanslagningar av svarta hål, " berättade forskarna för Phys.org via e-post. "Det som är mycket mer användbart är ytor som går under det tråkiga namnet marginellt yttre fångade ytor (marginalytor eller MOTS kort sagt). Detta ointressanta namn döljer deras betydelse för att förstå svarta hål."

Under de senaste 15 till 20 åren, två av författarna till den senaste tidningen, Badri Krishnan och Erik Schnetter, har utvecklat sätt att använda marginalytor för att beräkna, bland annat, svart håls massa och rörelsemängd. Trots deras framgångar på detta område, de kunde inte svara på en nyckelfråga:smälter MOTS samman i en BBH sammansmältning, och i så fall, hur, exakt?

Forskarna var angelägna om att ta reda på mer om denna sammanslagning, samt att avslöja alla intressanta topologiska egenskaper som kan vara dolda i den. Daniel Pook-Kolb, en annan författare till uppsatsen och en Ph.D. student vid Max Planck Institute, bestämde sig därför för att undersöka detta ämne ytterligare i sin avhandling.

"För att förstå fusionen, vi måste lokalisera mycket kraftigt förvrängda marginalytor, en numerärt utmanande uppgift som besegrade alla tidigare studier, ", sa forskarna. "Vi utvecklade en ny numerisk teknik för denna uppgift och kom allt närmare fusionspunkten. Fortfarande, även våra metoder fungerar inte särskilt nära sammanslagningen, där ytor med spetsar dyker upp."

Eftersom forskarna inte kunde få den insikt de letade efter i sina tidigare studier, de fortsatte att leta efter olika vägar för att undersöka sammanslagningen av MOTS i ett BBH-system. Så småningom, Schnetter kom på en ny idé för att närma sig detta ämne, vilket innebar att man letade efter ytor med korsande slingor.

När han föreslog detta till resten av laget, Krishnan var något skeptisk, eftersom ingen tidigare litteratur hade utforskat denna idé tidigare, men Pook-Kolb bestämde sig för att undersöka det oavsett och leta efter sådana ytor. Så småningom visade det sig att sådana topologiska egenskaper existerar, och att de kunde, faktiskt, vara generiska kännetecken för sammanslagningar av svarta hål.

Väsentligen, forskarna simulerade frontalkollisionen av två icke-snurrande svarta hål med olika massor. I dessa simuleringar, de observerade att MOTS förknippade med det slutliga svarta hålet som härrör från en BBH-fusion förenar sig med de två initialt osammanhängande ytorna som motsvarar de två initiala svarta hålen i systemet.

Detta resulterar i en sammankopplad sekvens av MOTS som interpolerar mellan det initiala och slutliga tillståndet för BBH, fram till att sammanslagningen mellan de två svarta hålen så småningom äger rum. I sista hand, deras resultat framhäver en topologiförändring i sammansmältningen av marginalytor.

Observationerna som samlats in i sina simuleringar antyder också att det finns en MOTS med självkorsningar som bildas direkt efter sammanslagningen. Forskarna, dock, förväntar sig att ytterligare en av deras fynd kommer att ha mycket större konsekvenser för framtida gravitationsvågobservationer.

"Eftersom vi nu har en sekvens av marginella ytor som tar oss från de två initialt osammanhängande svarta hålen till det sista, vi kan i detalj beräkna hur fysiska mängder svarta hål beter sig under sammanslagningen, " sa forskarna. "Det skulle vara särskilt intressant att hitta liknande egenskaper i de observerade gravitationsvågssignalerna:Vi kan sedan med rätta hävda att vi observationsmässigt förstår vad som händer inuti en händelsehorisont för ett svart hål."

De numeriska bevis som samlats in av Pook-Kolb, Schnetter, Krishnan och deras kollega Ofek Birnholtz erbjuder fascinerande nya insikter om BBH-fusioner. I framtiden, deras observationer kan bana väg för nya studier, inklusive försök att matematiskt bevisa Penrose-ojämlikheten för generiska astrofysiska BBH-konfigurationer.

Forskarna planerar nu att försöka generalisera sin idé till andra sammanslagningar av svarta hål, sådana som observerats av LIGO-samarbetet. Detta skulle kunna göra teorin de kom fram till användbar av ett mycket större forskarsamhälle.

"Arbetet med att generalisera vår idé till generiska sammanslagningar pågår, och de första resultaten som bygger på samma teori kommer nu, ", sa forskarna. "Vi är extremt glada över att se vad som väntar oss i simuleringar av helt generella realistiska sammanslagningar!"

© 2019 Science X Network