Συγχώνευση δύο μαύρες τρύπες έχει τρία στάδια: φάσεις έμπνευσης, συγχώνευσης και απενεργοποίησης. Χαρακτηριστικό γνώρισμα βαρυτικά κύματα εκπέμπονται σε κάθε φάση. Η τελευταία φάση ringdown είναι πολύ σύντομη και κωδικοποιεί πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες του τελικού μαύρη τρύπα. Επανάλυση δεδομένων από δυαδικό μαύρη τρύπα Το συμβάν συγχώνευσης GW190521 παρείχε, για πρώτη φορά, αποδεικτικά στοιχεία για τους μετασεισμούς της συγχώνευσης με τη μορφή δύο χωριστών αμυδρών συχνοτήτων που παράγονται από το προκύπτον μαύρη τρύπα καθώς κατακάθισε σε μια σταθερή συμμετρική μορφή. Αυτή είναι η πρώτη ανίχνευση πολλαπλών συχνοτήτων βαρυτικών κυμάτων στο στάδιο ringdown. Ακριβώς όπως ένα κουδούνι «χτυπά» για κάποιο χρονικό διάστημα μετά το κολλημένο, το σινγκλ που προκύπτει παραμορφώνεται μαύρη τρύπα σχηματίστηκε μετά από τη συγχώνευση «δαχτυλίδια» για κάποιο χρονικό διάστημα που εκπέμπουν αχνά βαρυτικά κύματα πριν επιτύχει συμμετρική σταθερή μορφή. Και, ακριβώς το σχήμα του κουδουνιού καθορίζει τις συγκεκριμένες συχνότητες με τις οποίες χτυπάει το κουδούνι, ομοίως, σύμφωνα με το θεώρημα χωρίς τρίχες, τη μάζα και το σπιν του μαύρη τρύπα προσδιορίστε τις συχνότητες κουδουνίσματος. Ως εκ τούτου, αυτή η εξέλιξη ανοίγει το δρόμο για τη χρήση των συχνοτήτων ringdown για τη μελέτη των ιδιοτήτων του τελικού μαύρη τρύπα.
Μαύρες τρύπες είναι ογκώδη αντικείμενα με εξαιρετικά ισχυρά βαρυτικά πεδία. Όταν δύο σε τροχιά μαύρες τρύπες σπειροειδή το ένα γύρω από το άλλο και τελικά συνενώνονται, το ύφασμα του χώρος-οι χρόνοι γύρω τους διαταράσσονται που δημιουργούν κυματισμούς του βαρυτικά κύματα που ακτινοβολεί προς τα έξω. Από τον Σεπτέμβριο του 2015, όταν ξεκίνησε η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων με την πρώτη ανίχνευση του LIGO βαρυτικά κύματα προκύπτουν από τη συγχώνευση δύο μαύρες τρύπες 1.3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, συγχωνεύονται μαύρες τρύπες ανιχνεύονται πλέον συνήθως σχεδόν μία φορά την εβδομάδα.
Η συγχώνευση της μαύρες τρύπες έχει τρεις φάσεις. Όταν οι δύο μαύρες τρύπες διαχωρίζονται ευρέως, αργά τροχιά ο ένας τον άλλον εκπέμποντας αδύναμο βαρυτικά κύματα. Το δυαδικό γίνεται σταδιακά όλο και μικρότερο τροχιές καθώς η ενέργεια του συστήματος χάνεται με τη μορφή βαρυτικά κύματα. Αυτό είναι εμπνευσμένη φάση της συνένωσης. Το επόμενο είναι φάση συγχώνευσης όταν οι δύο μαύρες τρύπες πλησιάστε αρκετά για να ενωθούν για να σχηματίσουν ένα σινγκλ μαύρη τρύπα με παραμορφωμένο σχήμα. Τα ισχυρότερα βαρυτικά κύματα (GWs) εκπέμπονται σε αυτό το στάδιο, τα οποία πλέον ανιχνεύονται και καταγράφονται συνήθως από παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων.
Η φάση της συγχώνευσης ακολουθείται από ένα πολύ σύντομο στάδιο που ονομάζεται στάδιο ringdown όπου το προκύπτον ενιαίο παραμορφωμένο μαύρη τρύπα επιτυγχάνει γρήγορα πιο σταθερή σφαιρική ή σφαιροειδή μορφή. Βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται στη φάση ringdown είναι αποσβεσμένα και πολύ πιο αμυδρά από τα GW που απελευθερώνονται στη φάση της συγχώνευσης. Ακριβώς όπως ένα κουδούνι «χτυπάει» για κάποιο χρονικό διάστημα μετά το κολλημένο, το single που προκύπτει μαύρη τρύπα «δαχτυλίδια» για αρκετή ώρα εκπέμποντας πολύ πιο αχνά βαρυτικά κύματα πριν επιτύχει συμμετρική σταθερή μορφή.
Οι αμυδρές πολλαπλές συχνότητες κουδουνίσματος του βαρυτικά κύματα κυκλοφόρησε κατά τη φάση ringdown της συγχώνευσης δύο μαύρες τρύπες δεν είχαν εντοπιστεί μέχρι στιγμής.
Μια ερευνητική ομάδα κατάφερε πρόσφατα να ανιχνεύσει πολλαπλές συχνότητες βαρυτικών κυμάτων στο στάδιο ringdown του δυαδικού μαύρη τρύπα συμβάν συγχώνευσης GW190521. Έψαξαν για μεμονωμένους τόνους εξασθένισης στις συχνότητες κουδουνίσματος χωρίς να λάβουν υπόψη καμία σχέση με τις συχνότητες και τους χρόνους απόσβεσης και κατάφεραν να εντοπίσουν δύο τρόπους λειτουργίας που υποδηλώνουν την προκύπτουσα παραμόρφωση μαύρη τρύπα εξέπεμψε τουλάχιστον δύο συχνότητες μετά τη συγχώνευση. Αυτό είχε προβλεφθεί από τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν, επομένως το αποτέλεσμα επιβεβαιώνει τη θεωρία. Επιπλέον, οι ερευνητές συνέκριναν τις συχνότητες και τους χρόνους απόσβεσης των δύο τρόπων ringdown που βρέθηκαν στο συμβάν συγχώνευσης για να δοκιμάσουν το «θεώρημα χωρίς τρίχα» (που μαύρες τρύπες χαρακτηρίζονται πλήρως από μάζα και περιστροφή και δεν χρειάζονται άλλες «τρίχες» για να περιγραφούν τα χαρακτηριστικά της) και δεν βρήκαν τίποτα πέρα από τη γενική σχετικότητα.
Αυτό είναι ένα ορόσημο επειδή θεωρήθηκε ευρέως ότι η παρατήρηση πολλαπλών συχνοτήτων ringdown δεν θα ήταν δυνατή προτού καταστούν διαθέσιμοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων επόμενης γενιάς στο μέλλον.
***
Πηγές:
- Capano, CD et αϊ. 2023. Πολύτροπο Quasinormal Spectrum από μια διαταραγμένη μαύρη τρύπα. Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης. Τομ. 131, Issue 22. 1 Δεκεμβρίου 2023. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.221402
- Max-Planck-Institut fürGravitationsphysik(Albert-Einstein-Institut), 2023. Ειδήσεις – Για ποιον δακτυλίδια η μαύρη τρύπα. Διαθέσιμο στο https://www.aei.mpg.de/749477/for-whom-the-black-hole-rings?c=26160
***
