Naukowcy z Cardiff University zidentyfikowali osobliwy ruch skręcający na orbitach dwóch zderzających się czarnych dziur, egzotyczne zjawisko przewidziane przez teorię grawitacji Einsteina.
Ich badanie, opublikowane w Nature i prowadzone przez profesora Marka Hannama, dr Charliego Hoya i dr Jonathana Thompsona, donosi, że po raz pierwszy ten efekt, znany jako precesja, został zaobserwowany w czarnych dziurach, gdzie skręcenie wynosi 10 miliardów razy szybciej niż w poprzednich obserwacjach.
Podwójny system czarnych dziur został odkryty za pomocą fal grawitacyjnych na początku 2020 roku w detektorach Advanced LIGO i Virgo. Jedna z czarnych dziur, 40 razy większa niż nasze Słońce, jest prawdopodobnie najszybciej wirującą czarną dziurą, jaką można znaleźć za pomocą fal grawitacyjnych. I w przeciwieństwie do wszystkich poprzednich obserwacji, szybko obracająca się czarna dziura zniekształciła przestrzeń i czas tak bardzo, że cała orbita układu podwójnego kołysała się w przód iw tył.
Ta forma precesji jest specyficzna dla ogólnej teorii względności Einsteina. Wyniki te potwierdzają jego istnienie w najbardziej ekstremalnym zdarzeniu fizycznym, jakie możemy zaobserwować, zderzeniu dwóch czarnych dziur.
„Zawsze myśleliśmy, że podwójne czarne dziury mogą to zrobić” – powiedział profesor Mark Hannam z Gravity Exploration Institute na Cardiff University. „Mieliśmy nadzieję, że uda nam się znaleźć przykład od pierwszych wykryć fal grawitacyjnych. Musieliśmy czekać pięć lat i ponad 80 osobnych wykryć, ale w końcu mamy jeden!”
Bardziej przyziemnym przykładem precesji jest chwianie się bączka, które może chwiać się – lub precesować – raz na kilka sekund. Natomiast precesja w ogólnej teorii względności jest zwykle tak słabym efektem, że jest niezauważalna. W najszybszym przykładzie wcześniej zmierzonym na orbitujących gwiazdach neutronowych, zwanych pulsarami podwójnymi, precesja orbity zajęła ponad 75 lat. Podwójna czarna dziura w tym badaniu, potocznie znana jako GW200129 (nazwa pochodzi od daty jej zaobserwowania, 29 stycznia 2020 r.), precesuje kilka razy na sekundę – efekt 10 miliardów razy silniejszy niż zmierzono wcześniej.
Dr Jonathan Thompson, również z Cardiff University, wyjaśnił: „Zidentyfikowanie tego efektu jest bardzo trudne. Fale grawitacyjne są niezwykle słabe i ich wykrycie wymaga najczulszego aparatu pomiarowego w historii. Precesja jest jeszcze słabszym efektem ukrytym wewnątrz już słabych sygnał, więc musieliśmy przeprowadzić dokładną analizę, aby go odkryć.
Fale grawitacyjne zostały przewidziane przez Einsteina w 1916 roku. Po raz pierwszy zostały wykryte bezpośrednio w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur przez instrumenty Advanced LIGO w 2015 roku, co było przełomowym odkryciem, które doprowadziło do przyznania Nagrody Nobla w 2017 roku. Astronomia fal grawitacyjnych jest obecnie jedną z najbardziej dynamicznych dziedzin nauki, z siecią zaawansowanych detektorów LIGO, Virgo i KAGRA działających w USA, Europie i Japonii. Do tej pory dokonano ponad 80 detekcji, wszystkie zlewały się z czarnymi dziurami lub gwiazdami neutronowymi.
„Do tej pory większość czarnych dziur, które znaleźliśmy z falami grawitacyjnymi, wiruje dość wolno” – powiedział dr Charlie Hoy, badacz z Cardiff University podczas tych badań, a teraz z University of Portsmouth. „Większa czarna dziura w tym układzie podwójnym, który był około 40 razy masywniejszy niż Słońce, wirowała prawie tak szybko, jak to fizycznie możliwe. Albo może to być znak, że nasze modele muszą się zmienić”.
Międzynarodowa sieć detektorów fal grawitacyjnych jest obecnie aktualizowana i rozpocznie kolejne poszukiwania we Wszechświecie w 2023 roku. Prawdopodobnie odnajdą setki kolejnych zderzających się czarnych dziur i powiedzą naukowcom, czy GW200129 był rzadkim wyjątkiem, czy też znakiem, że nasz wszechświat jest jeszcze dziwniejszy, niż sądzili.
Autorzy uzyskali wsparcie częściowo ze środków Rady ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych (STFC) i Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC).
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet w Cardiff. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.