Susidūrusios juodosios skylės gali dainuoti skirtingas gravitacines dainas

Sparčiai besisukančios juodosios skylės, tokios kaip Gargantua, iš filmo „Tarpžvaigždinis“, turėtų sukelti labai skirtingus gravitacinių bangų modelius nei lėčiau besisukančios juodosios skylės. (Vaizdo kreditas: „Paramount Pictures“)

Koks yra dviejų juodųjų skylių susidūrimo garsas? Kai kurie iš jų čiulba . Tačiau tikrai masyvi, greitai besisukanti juodoji skylė, tokia, kokia yra filme „Tarpžvaigždinis“, gali sukurti dinamiškesnę dainą.

Susidūrusios juodosios skylės iš tikrųjų nesukuria garso bangų, tačiau sukuria gravitacines bangas-erdvės-laiko iškraipymus, pačios tikrovės audinį. Vasario mėnesį mokslininkai, bendradarbiavę su lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija (LIGO), paskelbė pirmasis tiesioginis aptikimas gravitacinių bangų.

Norėdami padėti plačiajai visuomenei suprasti signalą, kurį aptiko LIGO, mokslininkai duomenis pavertė garso bangomis. Juodosioms skylėms skriejant vis greičiau ir greičiau, garsas pakyla į aukštį, tarsi skaidrių švilpukas. Galutinis susidūrimas sukelia aukštą čiulbėjimą ( klausyk čia ), o tada garsas staiga nutraukiamas - daina sustoja, nes dvi juodosios skylės tapo viena. [ Gravitacinių bangų paieška paveikslėliuose ]

Ši paprasta kosminė daina gali būti ne vienintelė muzika, kurią gali sukurti šie gravitacinių bangų skleidėjai. Balandžio 16–19 d. Solt Leik Sityje įvykusiame Amerikos fizinės draugijos susitikime MIT Kavli instituto podoktorantė Niels Warburton aptarė modeliavimą, parodantį, kokia gravitacinių bangų „daina“ turėtų būti sukurta susidūrus su juodosiomis skylėmis kurie sukasi greičiau ir yra žymiai didesni už tuos, kuriuos aptiko LIGO.

Ekstremalūs susidūrimai

Kirminų skylės po visatą ir milžiniškos juodosios skylės - tik keletas stebuklų, matytų filme „Tarpžvaigždinis“. Pažiūrėkite, kaip veikia „tarpžvaigždinių“ mokslas šioje infografijoje.(Vaizdo kreditas: Karlas Tate'as, Infografijos menininkas)

Norėdami iliustruoti naujus tyrimus, Warburtonas naudojo juodoji skylė Gargantua kaip pavyzdį iš filmo „Tarpžvaigždinis“. Filme arčiau šios pabaisos skriejanti planeta patiria didžiulį laiko išsiplėtimą, todėl viena valanda planetos paviršiuje prilygsta septyneriems metams netoliese esančiame erdvėlaivyje.

Astrofizikas Kipas Thorne'as (kuris taip pat yra LIGO įkūrėjas) buvo labai susijęs su filmu ir jo mokslu. Jis parašė savo knygoje ' Tarpžvaigždžių mokslas kad tam, kad filme pavaizduotas laiko išsiplėtimas, juodoji skylė turėtų suktis beveik greičiausiu įmanomu greičiu, kuris, mokslininkų manymu, yra įmanomas juodosios skylės atveju. Tiksliau, „1 dalis iš 100 trilijonų mažiau nei maksimali leistina norma“, - sakė Warburtonas.

(Nors tai nebuvo įrodyta, manoma, kad jei juodoji skylė suktųsi greičiau nei šis maksimumas, jos įvykių horizontas sumažėtų tiek, kad liktų nuogas singuliarumas, sakė Warburtonas - rezultatas, kuris paneigė fizinius modelius iki dabar.)

Tyrimui Warburtonas ir jo kolegos pažvelgė į labai masyvias juodąsias skyles, kurios sukasi šiek tiek lėčiau nei Gargantua - tik apie 99,99 proc. Maksimalaus teorinio greičio. „Tarpžvaigždinis“ mokslas: paaiškinta filmo juodoji skylė (vaizdo įrašas)

Prieš susidurdami su juodosiomis skylėmis, jie sukasi aplink vienas kitą ir vis arčiau. Viena juodoji skylė apskrito kitą, kol pasieks tašką, žinomą kaip žemiausia stabili orbita, o po to ji „patenka“ į savo palydovą, paaiškino Warburtonas.

Tačiau kuo greičiau sukasi juodoji skylė, tuo arčiau žemiausia stabili orbita pasiekia savo įvykių horizontą arba tašką, už kurio niekas (net šviesa) negali ištrūkti, sakė jis. O jų tyrimai rodo, kad kai kompaniono juodoji skylė gali labai priartėti prie savo kompaniono, poros skleidžiamos gravitacinės bangos labai skiriasi nuo to, ko tikėtasi.

Dvi juodosios skylės, kurias stebėjo LIGO, susiliejo ir sukėlė „čiulbėjimą“ - tai yra, signalo dažnis nuolat didėjo, o tada, kai abu objektai buvo sujungti, staiga nutrūko. Tačiau Warburtonas ir jo kolegos parodė, kad greitai besisukančios juodosios skylės sukuria signalą, kuris pasiekia didžiausią dažnį, o vėliau pradeda mažėti, prieš išblukdamas.

„Vietoj čiulbėjimo jūs girdite tokį dainuojantį garsą iš juodosios skylės“, - sakė Warburtonas. „Jis pakils, nenutrūks, dainuos, o paskui bus tylu“.

„[Tai] visiškai kitoks gravitacinių bangų parašas… nei tai, ką aptiko [LIGO]“,-sakė jis. Jei gravitacinių bangų detektorius paimtų signalą, panašų į tą, kurį aprašė mokslininkų modelis, „žinotumėte, kad žiūrite į milžinišką sistemą, kuri sukasi labai arti maksimumo“,-sakė jis.

Tai prieštarauja tam, ko mokslininkai tikėjosi iš susijungimo, apimančio labai greitai besisukančią juodąją skylę, teigia MIT dėstytojas Jolyonas Bloomfieldas, pristatęs tyrimus toje pačioje spaudos konferencijoje.

„Tikrai buvo labai netikėta pamatyti tai, kas nesikandžioja“, - sakė Bloomfieldas, paklaustas spaudos konferencijos metu, ką jis mano apie rezultatus. „Kiekvienas šablonas, kurį matėme iki šiol, turėjo šią gražią, čiulbančią funkciją, ir mes tiesiog manėme, kad [jei mes padarysime [juodosios skylės sukimąsi] didesnį… jis čiulbs. Bet tai gana įdomus darbas, kuris sako „ne“, čiulbėjimas iš tikrųjų dingsta. Čia dar kažkas vyksta “.

Medžioklė gravitacinėms dainoms

Juodosios skylės yra keistos sritys, kuriose gravitacija yra pakankamai stipri, kad sulenktų šviesą, iškreiptų erdvę ir iškreiptų laiką. [Žiūrėkite, kaip juodosios skylės veikia šioje guesswhozoo.com infografikoje.](Vaizdo kreditas: Karl Tate, guesswhozoo.com bendraautoris)

„Warburton“ pateiktame darbe daugiausia dėmesio skiriama scenarijui, kuriame juodoji skylė yra milijonus kartų masyvesnė už saulę, labai greitai sukasi ir susiduria su daug mažesne juodąja skyle - maždaug dešimtimis kartų didesne nei saulės masė. Norint aptikti šiuos signalus, reikės labai didelio gravitacinių bangų detektoriaus, kaip Europos kosmoso agentūros „eLISA“ misija, kurią planuojama pradėti 2030 m. Tačiau Warburtonas teigė, kad kai kurias iš šių keistų gravitacinių bangų dainų taip pat gali sukurti dvi vidutinio dydžio juodosios skylės, o šiuos signalus potencialiai gali aptikti LIGO.

Ar gravitacinių bangų detektoriai suras signalus, sukurtus šių itin greitai besisukančių juodųjų skylių? Warburtonas sakė, kad toks scenarijus priklauso nuo to, kaip šie objektai yra paplitę visatoje.

„Yra teorinių argumentų, rodančių, kad 99,8 proc. Yra didžiausias greitis, kokį tik rasite“, - sakė Warburtonas. „Tačiau kol neseniai nebuvo aptikta gravitacinių bangų, žmonės manė, kad didžiausios juodosios skylės, kurias pamatysite, bus tik 15 saulės masių. Ir [juodosios skylės, kurias matė LIGO] buvo dvigubai daugiau: 30 saulės masių “.

„Taigi šie dalykai gali būti ne tokie įprasti visatoje“, - sakė jis. „Tačiau kai atliekate gravitacinių bangų duomenų analizę, turite iš anksto žinoti, ko ieškote… Taigi mes parodėme, ko reikia ieškoti duomenų sraute, kad būtų galima aptikti šiuos ypač egzotiškus objektus. “.

Naujasis darbas taip pat galėtų padėti paaiškinti kaip susidaro labai masyvios juodosios skylės , Sakė Warburtonas, nes objekto sukimasis gali parodyti, kaip jis įgijo savo masę. Pasak jo, jei masyvi juodoji skylė susidarytų iš mažesnių juodųjų skylių, kurios susilieja, jos gręžimo greitis neturėtų būti itin didelis.

Straipsnis, apibūdinantis šį tyrimą, yra prieinamas atviros prieigos svetainėje arXive.org, o dokumentas buvo pateiktas paskelbti, teigia Warburtonas.

Sekite Calla Cofield @callacofield . Sekite mus @Spacedotcom , Facebook ir „Google+“ . Originalus straipsnis apie guesswhozoo.com .