Wetenschappers hebben zwaartekrachtsgolven gedetecteerd die zijn gegenereerd door de samensmelting van zwarte gaten, wat erop wijst dat het resulterende zwarte gat zich in een stabiele bolvorm heeft gevestigd. Deze golven laten ook zien dat het samengestelde zwarte gat mogelijk veel groter is dan eerder werd gedacht.
Toen het voor het eerst werd ontdekt op 21 mei 2019, werd aangenomen dat de zwaartekrachtgolf, bekend als GW190521, het gevolg was van een fusie tussen twee sterren. zwarte gatenDe ene heeft een massa van iets meer dan 85 zonnen en de andere heeft een massa van ongeveer 66 zonnen. Wetenschappers geloven dat de fusie heeft geleid tot de oprichting van ongeveer 142 Zonnemassa Dochter van het zwarte gat.
Nieuw bestudeerde ruimte-tijd-oscillaties van het samensmeltende zwarte gat, die naar buiten rimpelen naarmate de leegte in een geschikte bolvorm verandert, lijken er echter op te wijzen dat het massiever is dan aanvankelijk werd verwacht. In plaats van dat de massa 142 zonsmassa’s bedraagt, geven berekeningen aan dat de massa ongeveer 250 keer de massa van de zon zou moeten zijn. de zon.
Deze resultaten kunnen wetenschappers uiteindelijk helpen betere tests uit te voeren Algemene relativiteit, Albert EinsteinTheorie uit 1915 zwaartekrachtDie voor het eerst het concept van zwaartekrachtgolven en zwarte gaten introduceerde. “We verkennen hier echt een nieuwe grens”, zegt Stephen Giddings, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Californië. Dat zei hij in een verklaring.
Verwant: Hoe dansende zwarte gaten dichtbij genoeg komen om samen te smelten
Zwaartekrachtgolven en algemene relativiteitstheorie
De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat objecten met massa hun eigen weefsel vervormen ruimte en tijd – verenigd als een enkele vierdimensionale entiteit die “ruimte-tijd” wordt genoemd – en die “zwaartekracht” zoals wij die waarnemen, komt voort uit de kromming zelf.
Net zoals een bowlingbal op een rubberen kussen een extremere “deuk” veroorzaakt dan een tennisbal, veroorzaakt een zwart gat meer kromming in de ruimte-tijd dan een ster, en een ster veroorzaakt meer kromming dan een planeet. In feite is een zwart gat, in de algemene relativiteitstheorie, een punt van materie dat zo dicht is dat het een extreme kromming van de ruimtetijd veroorzaakt, op een grens die we GebeurtenishorizonZelfs licht is niet snel genoeg om aan de interne deuk te ontsnappen.
Dit is echter niet de enige revolutionaire voorspelling van de algemene relativiteitstheorie. Einstein voorspelde ook dat wanneer objecten versnellen, ze het weefsel van ruimte-tijd zouden moeten definiëren, dat resoneert met golven die rimpelingen worden genoemd. Zwaartekrachtgolven. Nogmaals, hoe massiever de objecten in kwestie, hoe extremer dit fenomeen. Dit betekent dat wanneer dichte objecten zoals zwarte gaten zich om elkaar heen wikkelen en voortdurend versnellen als gevolg van hun cirkelvormige beweging, de ruimtetijd om hen heen klinkt als een luidende klok, zoemend van zwaartekrachtsgolven.
Deze rimpelingen in de ruimtetijd dragen het impulsmoment van de spiraalvormige zwarte gaten over, en dit zorgt er op zijn beurt voor dat de onderlinge banen van de zwarte gaten nauwer worden, waardoor ze samenkomen en de frequentie van de uitgezonden zwaartekrachtsgolven toeneemt. De zwarte gaten komen steeds dichterbij en smelten uiteindelijk samen, vormen een nieuw zwart gat en zenden een hoogfrequente “tjilp” van zwaartekrachtsgolven uit die door het universum weerklinken.
Maar er was één ding dat Einstein fout had met betrekking tot zwaartekrachtgolven. De grote natuurkundige geloofde dat deze rimpelingen in de ruimte-tijd zo zwak zouden zijn dat ze hier nooit zouden worden gedetecteerd Land Na een doorreis Universum Miljoenen of zelfs miljarden lichtjaren lang.
Echter, in september 2015 werden de dubbele detectoren van… Laserinterferometer zwaartekrachtgolfobservatorium LIGO, gevestigd in Washington, Louisiana, toonde aan dat Einstein ongelijk had. Ze ontdekten GW150914, zwaartekrachtgolven die verband houden met het samensmelten van zwarte gaten op ongeveer 1,3 miljard afstand. Lichtjaar ver. Het zwaartekrachtgolfsignaal werd gedetecteerd als een verandering in de lengte van een van LIGO’s lange laserarmen, die 4 kilometer lang is, wat overeenkomt met een duizendste van de breedte van de bol. proton.
Opmerkelijk is dat LIGO en zijn collega-zwaartekrachtgolfdetectoren, Virgo in Italië en KAGRA in Japan, sindsdien veel vergelijkbare gebeurtenissen hebben gedetecteerd, en het punt hebben bereikt waarop ze elke week één zwaartekrachtsgolfgebeurtenis detecteren. Hoewel zelfs onder deze overvloed aan zwaartekrachtgolfdetecties, GW190521 opvalt.
Een bijzondere zwaartekrachtgolfgebeurtenis
De frequentie van de samensmelting van zwarte gaten achter het signaal GW190521, gelegen op 8,8 miljard lichtjaar van de aarde, was zo laag dat de frequentie pas tijdens de laatste twee banen van zwarte gaten hoog genoeg werd om de zwarte gaten waar te nemen. Het bereiken van de gevoeligheidslimieten van LIGO en Virgo.
Het team achter dit nieuwe onderzoek – dat geen deel uitmaakt van de LIGO/Virgo-samenwerking – wilde weten welke informatie over de gewelddadige botsing en samensmelting van deze zwarte gaten in dit signaal verborgen zou kunnen blijven.
Ze ontdekten dat op het moment dat de twee zwarte gaten met elkaar botsten, het resulterende zwarte gat scheef ontstond. Zwarte gaten zijn alleen stabiel als ze een bolvorm hebben, wat betekent dat binnen milliseconden na het samensmelten het dochterzwarte gat de vorm van een bol moet aannemen.
Net zoals de vorm van een bel de frequentie bepaalt waarmee hij rinkelt, zei het team dat naarmate de vorm van dit nieuwe zwarte gat veranderde en stabiel werd, de frequenties van de zwaartekrachtsgolven die het uitzendt veranderden. Deze zwaartekrachtgolven van de “onderste ring” bevatten informatie over de massa van het dochterzwarte gat en de rotatiesnelheid ervan.
Dit betekent dat de zwaartekrachtsgolven die door deze fusie worden gegenereerd wetenschappers een alternatieve manier bieden om de eigenschappen van samensmeltende zwarte gaten te meten, in tegenstelling tot de traditionele methode om zwaartekrachtsgolven te gebruiken die ontstaan tijdens het accretieproces.
Het team vond twee afzonderlijke ringfrequenties in het zwaartekrachtgolfsignaal van GW190521, die, wanneer ze samen worden beschouwd, het resulterende zwarte gat een massa van 250 zonsmassa’s geven. Dit betekent dat het veel groter is dan geschat op basis van spiraalvormige zwaartekrachtgolven. De ontdekking van deze zwaartekrachtgolven was zelfs voor het team achter deze resultaten schokkend.
“Ik had nooit gedacht dat ik in mijn leven zo’n meting zou meemaken”, zegt Badri Krishnan, co-auteur van het onderzoek en natuurkundige aan de Radboud Universiteit.
Het onderzoek van het team wordt gedetailleerd beschreven in een artikel dat op 28 november in het tijdschrift wordt gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
