Na krótko przed zderzeniem dwie czarne dziury splotły się w czasoprzestrzeni w węzły

w Luty 2016i naukowcy w Interferometr laserowy z falą grawitacyjną LIGO ogłasza pierwsze odkrycie fale grawitacyjne (GW). Pierwotnie przewidywane Ogólna teoria względności Einsteina, fale te są zmarszczkami w czasoprzestrzeni, które powstają, gdy masywne obiekty (takie jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe) łączą się. Od tego czasu niezliczone wydarzenia zostały odkryte przez obserwatoria na całym świecie – tak bardzo, że stały się niemal codziennym zjawiskiem. Pozwoliło to astronomom uzyskać wgląd w niektóre z najbardziej ekstremalnych obiektów we wszechświecie.

w ostatnie badaniamiędzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Cardiff University zaobserwował podwójny system czarnych dziur odkryty pierwotnie w 2020 roku przez zaawansowane legoA PannaA Obserwatorium Fal Grawitacyjnych Kamioki (Kajra). W trakcie tego procesu zespół zaobserwował dziwny ruch wirowy (znany również jako precesja) na orbitach zderzających się czarnych dziur, który był 10 miliardów razy szybszy niż to, co zaobserwowano w przypadku innych obiektów prekursorowych. Po raz pierwszy zaobserwowano początek z podwójnymi czarnymi dziurami, potwierdzając inne zjawisko przewidywane przez ogólną teorię względności (GR).

Zespołem kierowali profesor Mark Hannam, dr Charlie Hoy i dr Jonathan Thompson z Instytut Eksploracji Grawitacji na Uniwersytecie w Cardiff. Dołączyli naukowcy z LIGO .Laboratorium, Instytut Nauki i Technologii w Barcelonie, Instytut Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka, Instytut astronomii fal grawitacyjnych, Centrum Doskonałości ARC do wykrywania fal grawitacyjnych, Szkockie Uniwersytety Fizyki Alliance (SUPA) i innych instytutów badawczych GW.

Binarne czarne dziury (BBH) są głównym kandydatem do badań w GW, ponieważ astronomowie spodziewają się, że niektóre z nich będą się składać z podwójnych przedświtu. W tym scenariuszu czarne dziury krążyłyby wokół siebie po stale zawężających się orbitach, generując coraz silniejszy sygnał GW, dopóki się nie połączą. Jednak nie zaobserwowano żadnych rozstrzygających dowodów precesji orbitalnej w 84 systemach BBH wykrytych do tej pory przez Advanced LIGO i Virgo. Jednak zespół zauważył coś innego podczas badania wydarzenia GW200129, które odkrył Współpraca LIGO – Panna – KAGRA podczas trzeciego biegu operacyjnego (O3).

Jedna z czarnych dziur w tym układzie (około 40 mas Słońca) jest uważana za najszybszą czarną dziurę wykrytą przez fale grawitacyjne. W przeciwieństwie do wszystkich poprzednich obserwacji BBH, szybka rotacja układu ma tak głęboki wpływ na czasoprzestrzeń, że cały układ oscyluje tam iz powrotem. Ten rodzaj proaktywności jest znany jako przeciąganie ramki (inaczej efekt Lense-Thirring), interpretacja GR, w której siły grawitacyjne są tak silne, że „ciągną” ze sobą samą tkankę czasoprzestrzeni.

To samo zjawisko można zaobserwować podczas obserwacji orbity Merkurego, która okresowo przesuwa się do przodu, gdy okrąża Słońce. Krótko mówiąc, ścieżka Merkurego wokół Słońca jest bardzo ekscentryczna, a najdalszy punkt na jego orbicie (peryhelium) również porusza się w czasie, krążąc wokół Słońca jak obracający się wierzchołek. Te obserwacje są jednym ze sposobów testowania (i potwierdzania) GR po tym, jak Einstein sformalizował ją w 1916 roku. Ogólnie rzecz biorąc, precesja w ogólnej teorii względności ma zwykle tak słaby efekt, że jest prawie niezauważalna. Jak wyjaśnił niedawno dr Thompson z Cardiff University komunikat prasowy:

„To bardzo trudny efekt do zidentyfikowania. Fale grawitacyjne są bardzo słabe, a ich wykrycie wymaga najczulszego instrumentu pomiarowego w historii. Wyprzedzenie ruchu to słabszy efekt ukryty w już słabym sygnale, więc musieliśmy przeprowadzić dokładną analizę, aby go wykryć. „

Wcześniej najszybszym znanym przykładem był pulsar podwójny, który przetworzył się na orbicie przez ponad 75 lat. W tym przypadku BBH znany jako GW200129 (obserwowany 29 stycznia 2020 r.) przetwarza wiele razy na sekundę, uderzenie 10 miliardów razy silniejsze niż pulsar binarny. Jednak potwierdzenie, że czarne dziury w tym układzie były a priori, było dużym wyzwaniem. Dr Hoy, obecnie badacz na Uniwersytecie Portsmouth, powiedział:

„Do tej pory większość czarnych dziur, które znaleźliśmy z falami grawitacyjnymi, krążyła stosunkowo wolno. Największa czarna dziura w tym układzie podwójnym, o masie około 40 mas Słońca, obracała się tak szybko, jak to było fizycznie możliwe. Nasze obecne modele o tym, jak powstają binaria, sugeruje, że ten model był bardzo rzadki, może jeden na tysiąc. Albo może to być znak, że nasze modele muszą się zmienić.

Wyniki te potwierdzają, że zanim czarne dziury się połączą — najbardziej ekstremalne zdarzenie grawitacyjne, jakie astronomowie kiedykolwiek zaobserwowali — BBH mogą doświadczyć ruchu orbitalnego. Jest to również najnowszy z długiej serii przykładów pokazujących, w jaki sposób astronomia GW pozwala astronomom badać prawa fizyki w najtrudniejszych warunkach, jakie można sobie wyobrazić. Dzięki sieci złożonej z zaawansowanych detektorów LIGO, Virgo i KAGRA w Stanach Zjednoczonych, Europie i Japonii jest to również jeden z najważniejszych obszarów badań astronomicznych.

Sieć ta jest obecnie aktualizowana w celu zwiększenia jej wrażliwości na zdarzenia GW i rozpocznie czwartą rundę obserwacji (O4) w 2023 roku. Kiedy to nastąpi, mamy nadzieję, że kilkaset kolizji czarnych dziur zostanie odkrytych i dodanych do katalogu GW. Pozwoli to astronomom uzyskać lepszy wgląd w najbardziej ekstremalne zjawiska grawitacyjne we wszechświecie i poinformować ich, czy GW200129 jest anomalią, czy też takie ekstremalne zdarzenia są powszechne.

To badanie zostało sfinansowane przez Rada ds. Obiektów Naukowo-Technicznych (STFC) – część Badania i innowacje w Wielkiej Brytanii (UKRI) – Komisja Europejska Europejska Rada ds. Badań Naukowych (ERBN). Artykuł opisujący ich odkrycia nosi tytuł „Proaktywna ogólna teoria względności w binarnej czarnej dziuryOstatnio pojawił się w magazynie charakter temperamentu.

Dogłębna lektura: Uniwersytet w CardiffA charakter temperamentu