Kosmiczne „dzwonienie” po zderzeniu
Gdy dwie czarne dziury zbliżają się do siebie i ostatecznie łączą, dochodzi do jednego z najbardziej energetycznych wydarzeń we wszechświecie. Powstaje nowa, większa czarna dziura, która przez krótki czas wpada w drgania podobnie jak struna gitary lub dzwon po uderzeniu.
To jednak nie dźwięk rozchodzi się w przestrzeni kosmicznej, lecz fale grawitacyjne, czyli zmarszczki czasoprzestrzeni przewidziane przez Alberta Einsteina w ogólnej teorii względności. Każda czarna dziura „dzwoni” w charakterystyczny sposób, zależny od jej masy i prędkości wirowania. Naukowcy nazywają te drgania modami quasinormalnymi. Są one czymś w rodzaju kosmicznego odcisku palca i pozwalają określić właściwości obiektu powstałego po zderzeniu.
Trudniejsze do wykrycia harmoniczne
Dotychczas badaczom udawało się głównie rejestrować najsilniejszy sygnał emitowany przez czarną dziurę po zderzeniu. Znacznie trudniej było wychwycić słabsze harmoniczne, zwane nadtonami, które szybko zanikają.
Zespół z Cambridge opracował jednak nową metodę analizy danych opartą na statystyce bayesowskiej. Dzięki niej udało się dokładniej rozpoznać nie tylko podstawowe „nuty” emitowane przez czarne dziury, ale także bardziej subtelne drgania.
Badacze przeanalizowali zaawansowane symulacje komputerowe zderzeń czarnych dziur i stworzyli katalog częstotliwości pojawiających się w różnych scenariuszach przy odmiennych masach i konfiguracjach spinu.
Nieliniowe drgania niczym przesterowana gitara
Szczególnie interesującym odkryciem okazały się tak zwane mody nieliniowe. Powstają one wtedy, gdy kilka częstotliwości oddziałuje ze sobą jednocześnie, tworząc bardziej złożone sygnały.
Naukowcy porównują to zjawisko do dźwięku gitary elektrycznej z mocnym przesterowaniem, kiedy pojedyncze tony mieszają się, tworząc charakterystyczne, bogate brzmienie.
Wykrycie takich sygnałów jest jednak wyjątkowo trudne. Wymaga bardzo precyzyjnych danych oraz zaawansowanych metod oddzielania prawdziwego sygnału od szumu.
Test dla teorii Einsteina
Nowa metoda może odegrać ważną rolę w analizie danych z obecnych detektorów fal grawitacyjnych, takich jak LIGO i Virgo, a także z przyszłych, jeszcze bardziej czułych instrumentów.
Im dokładniej naukowcy będą potrafili analizować „dzwonienie” czarnych dziur, tym lepiej sprawdzą, czy rzeczywistość rzeczywiście zachowuje się zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Każde odstępstwo mogłoby oznaczać odkrycie nowej fizyki wykraczającej poza teorię Einsteina.
Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters.
Źródło: University of Cambridge
