Czarne dziury są tajemnicze, ale też zwodniczo proste – nowa misja kosmiczna może pomóc fizykom odpowiedzieć na drażliwe pytania dotyczące tych obiektów astronomicznych.

Fizycy uważają czarne dziury za jedną z najbardziej tajemniczych rzeczy, jakie istnieją. Jak na ironię, jest on również uważany za jeden z najprostszych. Przez lata, Fizycy tacy jak ja Chcieli udowodnić, że czarne dziury są bardziej złożone, niż się wydaje. Niedawno zostało to zatwierdzone Europejska misja kosmiczna LISA Pomoże nam to w tych badaniach.

Badania z lat 70 Sugeruje, że można kompleksowo opisać czarną dziurę za pomocą zaledwie trzech atrybutów fizycznych – jej masy, ładunku i spinu. Wszystkie inne właściwości tych masywnych, umierających gwiazd, takie jak ich szczegółowy skład, gęstość i temperatura, znikają, gdy zamieniają się w czarną dziurę. Takie są proste.

Pomysł, że czarne dziury mają tylko trzy cechy, nazywa się teorią „bezwłosą”, co oznacza, że ​​nie mają one żadnych „włochatych” szczegółów, które czyniłyby je złożonymi.

Owłosione czarne dziury?

Przez dziesięciolecia badacze ze społeczności astrofizycznej wykorzystywali luki lub obejścia w założeniach teorii bezwłosej, aby wymyślić możliwe scenariusze włochatej czarnej dziury. Włochata czarna dziura ma właściwość fizyczną, którą naukowcy mogą zmierzyć – w zasadzie – wykraczającą poza jej masę, ładunek i spin. Nieruchomość ta powinna stanowić trwałą część jej struktury.

Około dekadę temu, Stefanosa AretakisaFizyk pracujący obecnie na Uniwersytecie w Toronto wykazał matematycznie, że czarnej dziurze o maksymalnym ładunku, jaki może unieść – zwanej ekstremalnie naładowaną czarną dziurą – wyrosną „włosy” na horyzoncie. A Horyzont czarnej dziury To granica, poza którą nic, nawet światło, nie może uciec.

Analiza Aretakisa była raczej eksperymentem myślowym wykorzystującym bardzo uproszczony scenariusz fizyczny, więc nie jest to coś, czego naukowcy spodziewaliby się zaobserwować w kategoriach astrofizycznych. Ale doładowane czarne dziury mogą nie być jedynymi, które mogą mieć włosy.

Ponieważ wiadomo, że obiekty astrofizyczne, takie jak gwiazdy i planety, rotują, naukowcy spodziewają się, że tak właśnie będzie Czarne dziury również będą się obracaćw zależności od tego, jak jest uformowany. Dowody astrologiczne Pokazał, że czarne dziury mają spin, chociaż badacze nie wiedzą, jaka jest typowa wartość spinu dla astrofizycznej czarnej dziury.

Mój zespół ostatnio korzysta z symulacji komputerowych Odkryj podobne typy włosów W czarnych dziurach, które obracają się z maksymalną prędkością. Ta poezja dotyczy tempa zmian, czyli gradientu, w krzywiźnie czasoprzestrzeni na horyzoncie. Odkryliśmy również, że czarna dziura nie musi obracać się maksymalnie, aby pojawiły się włosy, co jest ważne, ponieważ… Czarne dziury o maksymalnym wirowaniu prawdopodobnie nigdy nie powstaną w naturze.

Wykryj i zmierz włosy

Mój zespół chciał opracować sposób pomiaru tego włosa – nową stałą właściwość, która mogłaby charakteryzować czarną dziurę poza jej masą, spinem i ładunkiem. Zaczęliśmy zastanawiać się, jaki wpływ może mieć taka nowa funkcja Sygnatura fali grawitacyjnej Emitowane przez szybko obracającą się czarną dziurę.

A Fala grawitacyjna Jest to niewielkie zaburzenie czasoprzestrzeni, które zwykle pojawia się w wyniku gwałtownych wydarzeń astrofizycznych we wszechświecie. Zderzenia zwartych obiektów astrofizycznych, takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe, emitują potężne fale grawitacyjne. Międzynarodowa sieć obserwatoriów grawitacyjnych, m.in Obserwatorium fal grawitacyjnych z interferometrem laserowym W Stanach Zjednoczonych fale te są wykrywane rutynowo.

Nasze ostatnie badania sugerują, że te owłosione cechy można zmierzyć na podstawie danych dotyczących fal grawitacyjnych Dla szybko rotujących czarnych dziur. Analiza danych dotyczących fal grawitacyjnych daje możliwość uzyskania pewnego rodzaju sygnatury, która mogłaby wskazać, czy czarna dziura ma tego typu włosy.

Nasze ciągłe badania Najnowsze postępy Soma Bishoya, studenta zespołu, opierają się na połączeniu teoretycznych i obliczeniowych modeli szybko rotujących czarnych dziur. Nasze odkrycia nie zostały jeszcze przetestowane w terenie ani zaobserwowane w prawdziwych czarnych dziurach w kosmosie. Mamy jednak nadzieję, że wkrótce się to zmieni.

Lisa dostała zielone światło

W styczniu 2024 r. Europejska Agencja Kosmiczna oficjalnie certyfikowała system kosmiczny Interferometr laserowy anteny kosmicznejlub Lisa, misja. LISA będzie szukać fal grawitacyjnych, a dane z misji mogą pomóc mojemu zespołowi odpowiedzieć na pytania dotyczące czarnych dziur.

Formalne przyjęcie oznacza, że ​​projekt Ma zielone światło Aby przejść do fazy budowy, z planowanym uruchomieniem w 2035 r. Lisa składa się z Trzy statki kosmiczne Jest skonfigurowany w idealny trójkąt równoboczny, który będzie podążał za Ziemią wokół Słońca. Będzie to każdy statek kosmiczny Dzielą je 1,6 miliona mil (2,5 miliona km).Wymienią się wiązkami laserowymi, aby zmierzyć odległość między sobą z dokładnością do jednej miliardowej cala.

LISA wykryje fale grawitacyjne z supermasywnych czarnych dziur, które są miliony, a nawet miliardy razy masywniejsze od naszego Słońca. Stworzy mapę czasoprzestrzeni wokół wirujących czarnych dziur, która pomoże fizykom zrozumieć, jak działa grawitacja w pobliżu czarnych dziur z niespotykaną dotąd precyzją. Fizycy mają nadzieję, że LISA będzie także w stanie zmierzyć wszelkie cechy sieci, jakie mogą mieć czarne dziury.

z LIGO dokonuje nowych obserwacji LISA każdego dnia daje wgląd w czasoprzestrzeń wokół czarnych dziur. Teraz jest jeden z najbardziej ekscytujących czasów dla fizyka zajmujących się czarnymi dziurami.