Bild https://www.simonsfoundation.org När två svarta hål kolliderar och smälter
samman ges gravitationsvågor. Dessa vågor kan detekteras av känsliga
instrument på jorden vilket gör det möjligt för forskare att bestämma massan
och rotationen hos det svarta hålet som nu bildas. Den klaraste signalen för sammanslagning av
svarta hål hittills, namnet på händelsen är är GW250114 och spelas in av LIGO i januari 2025 ger nya insikter om dessa mystiska objekt. Maggie Chiang för Simons Foundation.
När svarta hål slås samman ger kollisionen
ett nytt, större svart hål som avger en ton som en vibrerande gitarrsträng (eller
klockklang) medan det stabiliserar sig i sin slutgiltiga form. Men istället
för ljudvågor ger det nya nu större svarta hålet av gravitationsvågor: krusningar i
rumtiden något som först förutspåddes av Albert Einstein.
Det nya svarta hålet vibrerar vid en specifik
uppsättning frekvenser beroende på dess massa och rotation något som sedan hjälper
forskare att lära sig mer om objektet som bildades i kollisionen.
Dessa vibrationer kan ses som fingeravtrycket från ett svart hål. Att upptäcka dem är centralt för att testa
Einsteins allmänna relativitetsteori i universums mest extrema
gravitationsmiljöer.
Nu har forskare från University of Cambridge utvecklat en metod för att identifiera och katalogisera dessa lägen med större noggrannhet än tidigare. I tidskriften Physical Review Letters beskriver hur de sållade igenom datorsimuleringar av sammanslagningar av svarta hål och identifierade inte bara den grundläggande tonen som det svarta hålet gav utan också övertonerna de svagare harmoniska tonerna som försvinner snabbare.
"Även om det högsta läget rutinmässigt
observeras i gravitationsvågsdata, är många tystare lägen mycket svårare att
upptäcka, och det har pågått debatt om vilka lägen som finns och när de
uppträder," sade Richard Dyer från Cambridges Institute of Astronomy,
studiens försteförfattare. "Vår metod ger ett systematiskt, datadrivet
sätt att lösa denna osäkerhet, och våra resultat fungerar som referens för både
teoretiska studier och verkliga observationer."
Forskarna baserade sin metod på bayesiansk analys,
en statistisk teknik som systematiskt väger bevis för att avgöra den mest
sannolika förklaringen till en given datamängd.
Förutom de grundläggande tonerna och övertonerna
fann forskarna också ovanliga 'icke-linjära lägen i data vibrationer som
uppstår när två eller flera av grundfrekvenserna interagerar med varandra.
Dessa är analoga med de komplexa toner en elgitarr kan producera när den spelas
med kraftig distorsion. Att upptäcka dessa lägen kräver högkvalitativ data och
noggrann analys för att skilja dem från brus.
"Ringdown spectroscopy är en av de mest direkta
undersökningarna av svarta hål vi har," beskriver huvidförfattaren till studdien Richard Dyer from Cambridge’s Institute of Astronomyr. "Men att extrahera
all information som denna är svårt. Vi ville ha ett principfast,
datadrivet sätt att göra det."
Dyer och hans medförfattare Dr Christopher Moore
tillämpade sin metod på en offentligt tillgänglig katalog av mycket exakta
simuleringar som modellerar gravitationsvågor till den teoretiska gräns där
de kan mätas rent. De registrerade vilka lägen som kunde detekteras och när över ett brett spektrum av simulerade kollisioner med svarta hål med olika
massförhållanden och rotationskonfigurationer.
Forskarna säger att deras resultat kommer att vara
användbara för att tolka data från aktuella gravitationsvågsdetektorer som LIGO
och Virgo, samt för nästa generations detektorer. Att veta vilka frekvenser man
ska söka efter i en given kollision kan göra det möjligt för forskare att
utföra ännu mer precisa tester av allmän relativitetsteori till exempel att
kontrollera att egenskaperna hos det slutliga svarta hålet är förenliga med vad
Einsteins ekvationer förutsäger.
