Kada se crne rupe spoje, zazvoniće kao zvono

Kada se dvije crne rupe sudare, one se ne zabijaju jedna u drugu kao dvije zvijezde. Crna rupa je intenzivno zakrivljeno područje prostora koje se može opisati samo svojom masom, rotacijom i električnim nabojem, tako da dvije crne rupe oslobađaju nasilne gravitacijske talase spajajući se u jednu crnu rupu. Nova crna rupa nastavlja da emituje gravitacione talase sve dok se ne slegne u jednostavnu rotirajuću crnu rupu. Taj period smirivanja poznat je kao spuštanje prstena, a njegov obrazac sadrži tragove za neke od najdubljih misterija gravitacijske fizike.

Opservatorije gravitacionih talasa kao što je Laser Interferometrija Gravitaciono-talasna opservatorija (LIGO) uglavnom su se fokusirale na inspirativni period spajanja crnih rupa. Ovo je period u kojem dvije crne rupe kruže sve bliže jedna drugoj, stvarajući ritmički tok snažnih gravitacijskih valova. Iz ovoga astronomi mogu odrediti masu i rotaciju originalnih crnih rupa, kao i masu i rotaciju spojene crne rupe. Obrazac gravitacionih talasa koji posmatramo je vođen Ajnštajnovom opštom relativnošću, a usklađivanjem posmatranja sa teorijom učimo o crnim rupama.

Opšta teorija relativnosti izuzetno dobro opisuje gravitaciju. Od svih gravitacionih testova koje smo uradili, svi se slažu sa opštom relativnošću. Ali Ajnštajnova teorija se ne poklapa dobro sa drugom izuzetno tačnom fizičkom teorijom, kvantnom mehanikom. Zbog toga su fizičari predložili modifikacije opšte teorije relativnosti koje su kompatibilnije s kvantnom teorijom. Prema ovim modifikovanim teorijama, postoje suptilne razlike u načinu na koji spojene crne rupe zvone, ali posmatranje tih razlika nije bilo moguće. Ali nekoliko novih studija pokazuje kako bismo ih mogli promatrati u sljedećem LIGO-u.

U prvom radu, tim se fokusirao na ono što je poznato kao jednačina Teukolskog. Jednačine koje je prvi predložio Saul Teukolsky su efikasan način analize gravitacionih talasa. Jednačine se odnose samo na klasičnu opštu relativnost, tako da je tim razvio način da modifikuje jednačine za modifikovane modele opšte relativnosti. Budući da rješenja i Teukolskyjeve i modificirane Teukolskyjeve jednačine ne zahtijevaju masivni superkompjuter za rješavanje, tim može uporediti padove prstena crne rupe u različitim gravitacijskim modelima.

Drugi rad razmatra kako bi se to uradilo sa LIGO podacima. Umjesto da se fokusira na opšte razlike, ovaj rad se fokusira na ono što je poznato kao teorema bez kose. Opšta teorija relativnosti predviđa da bez obzira na to kako se dvije crne rupe spajaju, konačna spojena crna rupa mora biti opisana samo masom, rotacijom i nabojem. Ne može imati nikakve “dlake” ili zaostale karakteristike sudara. U nekim modifikovanim verzijama opšte teorije relativnosti, crne rupe mogu imati određene karakteristike, koje bi prekršile teoremu bez dlake. U ovom drugom radu, autori pokazuju kako se ovo može koristiti za testiranje opće relativnosti u odnosu na određene modificirane teorije.

LIGO je upravo započeo svoje najnovije posmatranje, tako da će proći neko vrijeme prije nego što bude dovoljno podataka za testiranje. Ali uskoro bismo mogli imati novi opservacijski test Ajnštajnove stare teorije i mogli bismo samo dokazati da to ipak nije konačna teorija gravitacije.

referenca: Li, Dongjun, et al. “Perturbacije rotirajućih crnih rupa izvan opšte relativnosti: modifikovana jednačina Teukolskog.” Fizički pregled X 13.2 (2022): 021029.

referenca: Ma, Sizheng, Ling Sun i Yanbei Chen. “Spektroskopija crne rupe načinom čišćenja.” Physical Review Letters 130.2 (2023): 141401.