Ο θεωρητικός υπολογίζει το ανυπολόγιστο τραγούδι της σειρήνας της συγχώνευσης μαύρων τρυπών
Μόλις ένα μήνα μετά την ανανεωμένη εκστρατεία παρατήρησης με μια τριάδα ανιχνευτών, οι φυσικοί ανακοίνωσαν σήμερα ότι εντόπισαν περισσότερα βαρυτικά κύματα - φευγαλέοι κυματισμοί στο διάστημα ξεκινούν όταν δύο ογκώδη αντικείμενα, όπως οι μαύρες τρύπες, σπειροειδώς το ένα μέσα στο άλλο. Η συνεργασία έχει τώρα συσκευάσει 13 συγχωνευμένα ζεύγη μαύρων τρυπών, καθώς και δύο ζεύγη άστρων νετρονίων. Ωστόσο, ακόμη και όταν συσσωρεύονται οι ανιχνεύσεις, ένας θεωρητικός έχει κάνει μια πρόοδο που θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο η ομάδα αναλύει τα σήματα και να διευκολύνει τη δοκιμή της θεωρίας της βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, της γενικής σχετικότητας.
Για να ερμηνεύσουν τα σήματα τους οι κυνηγοί βαρυτικών κυμάτων τα συγκρίνουν με προσομοιώσεις υπολογιστή. Τώρα, ο Sean McWilliams, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Δυτικής Βιρτζίνια στο Morgantown, έχει υπολογίσει έναν ακριβή μαθηματικό τύπο για το σήμα ή την κυματομορφή, που παράγεται από δύο μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται.
«Είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός», λέει ο Neil Cornish, αστρονόμος βαρυτικών κυμάτων στο Πανεπιστήμιο Montana State στο Bozeman που δεν συμμετείχε στην εργασία. "Θα επιτρέψει πιο ακριβείς κυματομορφές για ανάλυση. Αλλά μας δίνει επίσης περισσότερες πληροφορίες για το τι συμβαίνει" σε μια συγχώνευση μαύρης τρύπας.
Το 1916, ο Αϊνστάιν προέβλεψε ότι καθώς δύο αστέρια θα περιστρέφονταν το ένα γύρω από το άλλο θα ακτινοβολούσαν βαρυτικά κύματα, αν και υπολόγισε ότι τα κύματα θα ήταν πολύ αδύναμα για να ανιχνευθούν. Το 2015, φυσικοί με το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολομέτρου Λέιζερ (LIGO) εντόπισαν μια έκρηξη κυμάτων από δύο μαύρες τρύπες που συγχωνεύτηκαν 1,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, χρησιμοποιώντας τα τεράστια οπτικά τους όργανα στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον και στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα. Ο ανιχνευτής Virgo κοντά στην Πίζα της Ιταλίας, εντάχθηκε στο κυνήγι τον Αύγουστο του 2017, επιτρέποντας στη συνεργασία να τριγωνιστεί στις πηγές των γεγονότων στον ουρανό.
Καθώς δύο μαύρες τρύπες πλησιάζουν όλο και πιο κοντά, εκπέμπουν κυματισμούς στο διάστημα που επιταχύνονται. Η ένταση των κυμάτων κορυφώνεται καθώς τα δύο αντικείμενα συγκρούονται και στη συνέχεια εξασθενεί καθώς η τελική, συγχωνευμένη μαύρη τρύπα κυματίζει και κατακάθεται. Για να αποκρυπτογραφήσουν το σήμα και να προσδιορίσουν τις μάζες των μαύρων τρυπών και άλλες παραμέτρους, οι επιστήμονες το συγκρίνουν με έναν κατάλογο προσομοιωμένων σημάτων, μια λύση που έχουν ακολουθήσει λόγω της πολυπλοκότητας του προβλήματος.
Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, η βαρύτητα προκύπτει όταν η μάζα και η ενέργεια παραμορφώνουν το χωροχρόνο. Και μια μαύρη τρύπα είναι το εξαιρετικά έντονο βαρυτικό πεδίο που αφήνεται πίσω όταν ένα τεράστιο αστέρι καταρρέει σε ένα απειροελάχιστο σημείο. Έτσι, όταν δύο μαύρες τρύπες στροβιλίζονται μεταξύ τους, η παραμόρφωση προκαλεί στρέβλωση και καθιστά τα μαθηματικά "μη γραμμικά" και δυσεπίλυτα.
Ή τόσο πολλοί επιστήμονες υπέθεσαν. Ο ΜακΓουίλιαμς λέει ότι βρήκε τελικά έναν τρόπο να υπολογίζει το σήμα μαθηματικά, όπως αναφέρει σε μια εφημερίδα που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters .
Ο υπολογισμός περιλαμβάνει ειδικές αποστάσεις από το κέντρο της μαύρης τρύπας. Ως γνωστόν, τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει από μια μαύρη τρύπα αν πλησιάσει πιο κοντά από μια χαρακτηριστική απόσταση που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Σε απόσταση περίπου 1,5 φορές εκείνης του ορίζοντα γεγονότων, η βαρύτητα της μαύρης τρύπας θα κάμψει το διερχόμενο φως σε μια κυκλική τροχιά, ορίζοντας τον «φωτεινό δακτύλιο». Μια απόσταση περίπου τριπλάσια από αυτή του ορίζοντα γεγονότων σηματοδοτεί το όριο για ένα τεράστιο αντικείμενο να διατηρεί κυκλική τροχιά και όχι σπειροειδή μέσα, ένα κατώφλι που ονομάζεται η πιο εσωτερική σταθερή κυκλική τροχιά (ISCO).
Προηγούμενες προσπάθειες για τον υπολογισμό της ακριβούς κυματομορφής από μια συγχώνευση μαύρης τρύπας βασίστηκαν σε έναν τυπικό μαθηματικό μετασχηματισμό, μετατρέποντας το πρόβλημα δύο περιφερόμενων μαύρων οπών σε ένα από ένα ενιαίο σώμα που σπειροειδώς σε ένα ενεργειακό τοπίο σε σχήμα χοάνης. Αλλά μέσα στο ISCO, το σώμα σταματά να κινείται σπειροειδώς, αναγκάζοντας τους ερευνητές να διορθώσουν την πορεία του με αριθμητικές προσομοιώσεις. Ο ΜακΓουίλιαμς συνειδητοποίησε ότι μπορούσε να αποφύγει αυτό το πρόβλημα πηδώντας στην τελική συγχωνευμένη μαύρη τρύπα. Στη συνέχεια χρησιμοποίησε τη γενική σχετικότητα για να υπολογίσει πώς μια μικροσκοπική μάζα δοκιμής εισέρχεται και διαταράσσει την τελική μαύρη τρύπα, επιτρέποντάς του να υπολογίσει το ακτινοβολούμενο σήμα από το ISCO προς τα μέσα.
Μόλις το σωματίδιο δοκιμής φτάσει στον φωτεινό δακτύλιο, η ανίχνευση της τροχιάς του γίνεται μαθηματικά αβάσιμη. Αλλά ο McWilliams λέει ότι η φυσική εκεί μπορεί να αγνοηθεί για έναν απλό λόγο:Όλη η ανάδευση του χωροχρόνου μέσα στον φωτεινό δακτύλιο δεν μπορεί να διαφύγει για να επηρεάσει τα διαδομένα βαρυτικά κύματα. Ουσιαστικά, η ίδια η μαύρη τρύπα αποσιωπά όλες τις δυσάρεστες μη γραμμικότητες. Η McWilliams παρέχει ένα ζευγάρι τύπων που ταιριάζουν απόλυτα με τις προσομοιώσεις. «Θα είμαι ειλικρινής», λέει, «είναι μάλλον παραπλανητικός για το πόσο καλά συμφωνεί με τα αποτελέσματα της αριθμητικής σχετικότητας.»
Αυτοί οι τύποι θα μπορούσαν να αποδειχθούν πολύτιμοι σε δοκιμές της γενικής σχετικότητας, λέει ο McWilliams, ειδικά καθώς οι μαύρες τρύπες είναι αντικείμενα κατασκευασμένα από καθαρή βαρυτική ενέργεια, χωρίς ακατάστατη ύλη να παρεμποδίζει. Οι παρατηρήσεις του LIGO και της Παρθένου έχουν ήδη επιβεβαιώσει την ακρίβεια της γενικής σχετικότητας σε ένα άνευ προηγουμένου επίπεδο, αλλά οι ερευνητές θα πρέπει να είναι σε θέση να προχωρήσουν περαιτέρω καθώς ακονίζουν την ευαισθησία των οργάνων τους. Θα χρειαστούν πιο ακριβείς προβλέψεις των κυματομορφών από τη γενική σχετικότητα, λέει ο McWilliams, και οι ακριβείς τύποι θα πρέπει να είναι πιο ακριβείς από τις αριθμητικές προσομοιώσεις.
Ο Lionel London, θεωρητικός των βαρυτικών κυμάτων και μέλος της ομάδας LIGO στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) στο Κέμπριτζ, δεν είναι τόσο σίγουρος. Ο McWilliams πρέπει ακόμα να βασιστεί σε προσομοιώσεις για να μοντελοποιήσει τη σπειροειδή κίνηση έξω από το ISCO, σημειώνει, και ότι μέρος του σήματος είναι το κλειδί για τον προσδιορισμό της μάζας των αρχικών μαύρων οπών. Οι υπολογισμοί εξαρτώνται επίσης από ορισμένες απλοποιητικές υποθέσεις, αλλά δεν παρέχουν εκτιμήσεις για τις αβεβαιότητες που φέρουν μαζί τους, λέει. Οι τύποι είναι περισσότερο «ansatz» - μια μορφωμένη εικασία για το πώς πρέπει να φαίνεται το σήμα - παρά μια ακριβής λύση στο πρόβλημα, λέει το Λονδίνο.
Ο Cornish συμφωνεί ότι είναι πολύ νωρίς για να αντικαταστήσουμε την αριθμητική σχετικότητα. Ωστόσο, λέει, οι τύποι θα είναι χρήσιμοι και θα πρέπει να ωθήσουν τους φυσικούς να εξηγήσουν γιατί οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών φαίνονται απλούστερες από ό,τι περίμεναν. "Έχουμε περισσότερα να μάθουμε."
Στο μεταξύ, οι ερευνητές LIGO και Virgo δεν θα έχουν έλλειψη σημάτων. Κατά τη διάρκεια του πρώτου μήνα της τρίτης παρατήρησής τους, εντόπισαν πέντε νέα υποψήφια γεγονότα, συμπεριλαμβανομένων τριών συγχωνεύσεων μαύρης τρύπας, μιας δεύτερης συγχώνευσης αστεριών νετρονίων και μιας πιθανής συγχώνευσης μαύρης τρύπας-αστέρων νετρονίων που εντοπίστηκε την περασμένη εβδομάδα. Η μικτή συγχώνευση θα ήταν άλλο ένα στολίδι για τους επιστήμονες, καθώς δεν έχουν ακόμη και καλές εκτιμήσεις για το πόσο συχνά πρέπει να συμβαίνουν τέτοια πράγματα. "Επειδή είναι ένα τόσο ενδιαφέρον αστροφυσικό αντικείμενο, προκαλεί πολύ ενθουσιασμό, τον οποίο πιστεύω ότι του αξίζει", λέει η Jessica McIver, φυσικός και μέλος της ομάδας LIGO από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στην Πασαντένα.
Ωστόσο, το δελεαστικό σήμα είναι σχετικά αδύναμο. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι ο τυχαίος θόρυβος θα πρέπει να παράγει ένα παρόμοιο ψευδές σήμα περίπου μία φορά κάθε 20 μήνες και υπάρχει 14% πιθανότητα να προέρχεται από επίγειες δονήσεις. «Αν με ρωτήσεις, ‘Θα στοιχηματίζατε έναν καφέ, το αυτοκίνητό σας ή το σπίτι σας σε αυτό; Θα έλεγα, «Θα στοιχημάτιζα το δικό σου αυτοκίνητο», λέει ο Salvatore Vitale, φυσικός και μέλος του LIGO από το MIT. Για να διερευνηθεί η υπόθεση για την υποτιθέμενη μικτή συγχώνευση, οι αστρονόμοι πιθανότατα θα πρέπει να εντοπίσουν φως και ηλεκτρομαγνητικά κύματα από αυτήν.
