Een nieuwe ruimtemissie kan natuurkundigen helpen ‘moeilijke’ vragen over zwarte gaten te beantwoorden

Natuurkundigen beschouwen zwarte gaten als een van de meest mysterieuze dingen die er bestaan. Ironisch genoeg wordt het ook als een van de eenvoudigste beschouwd. Voor jaren, Natuurkundigen zoals ik Ze wilden bewijzen dat zwarte gaten complexer zijn dan ze lijken. Het is onlangs goedgekeurd Een Europese ruimtemissie genaamd LISA Het zal ons helpen bij dit onderzoek.

Onderzoek uit de jaren zeventig Het suggereert dat je een zwart gat uitgebreid kunt beschrijven met behulp van slechts drie fysieke kenmerken: zijn massa, lading en spin. Alle andere eigenschappen van deze stervende massieve sterren, zoals hun gedetailleerde samenstelling, dichtheid en temperatuur, verdwijnen wanneer ze in een zwart gat veranderen. Zo eenvoudig zijn ze.

Het idee dat zwarte gaten slechts drie kenmerken hebben, wordt de ‘haarloze’ theorie genoemd, wat betekent dat ze geen ‘harige’ details hebben die ze complex maken.

Harige zwarte gaten?

Decennia lang hebben onderzoekers in de astrofysica-gemeenschap mazen in de wet of oplossingen binnen de aannames van de haarloze theorie uitgebuit om mogelijke harige zwarte gatenscenario's te bedenken. Een harig zwart gat heeft een fysieke eigenschap die wetenschappers – in principe – kunnen meten buiten zijn massa, lading of spin. Deze eigenschap moet een permanent onderdeel van de structuur zijn.

Ongeveer tien jaar geleden, Stefanos Aretakis, een natuurkundige die momenteel aan de Universiteit van Toronto werkt, heeft wiskundig aangetoond dat een zwart gat met de maximale lading die het kan dragen – een extreem geladen zwart gat genoemd – ‘haar’ aan de horizon zal laten groeien. A Horizon van een zwart gat Het is een grens waarbuiten niets, zelfs licht niet, kan ontsnappen.

De analyse van Aretakis was meer een gedachte-experiment waarbij gebruik werd gemaakt van een zeer vereenvoudigd natuurkundig scenario, dus het is niet iets dat wetenschappers in astrofysische termen zouden verwachten te observeren. Maar supergeladen zwarte gaten zijn misschien niet het enige soort dat haar kan hebben.

Omdat bekend is dat astrofysische objecten zoals sterren en planeten roteren, zouden wetenschappers verwachten dat dit het geval is Zwarte gaten zullen ook roterenafhankelijk van hoe het gevormd is. Astrologisch bewijs Hij liet zien dat zwarte gaten spin hebben, al weten onderzoekers niet wat de typische waarde van spin voor een astrofysisch zwart gat is.

Met behulp van computersimulaties heeft mijn team onlangs Ontdek vergelijkbare haartypes In zwarte gaten die op maximale snelheid roteren. Deze poëzie gaat over de snelheid van verandering, of gradiënt, in de kromming van ruimte-tijd aan de horizon. We hebben ook ontdekt dat een zwart gat niet maximaal hoeft te draaien om haar te hebben, wat belangrijk is omdat dit… Zwarte gaten met maximale spin zullen zich waarschijnlijk nooit vormen in de natuur.

Detecteer en meet haar

Mijn team wilde een manier ontwikkelen om dit haar te meten, een nieuwe constante eigenschap die een zwart gat zou kunnen karakteriseren voorbij zijn massa, spin en lading. We begonnen te kijken hoe zo’n nieuwe functie impact zou kunnen hebben Handtekening van een zwaartekrachtgolf Uitgezonden door een snel roterend zwart gat.

A Zwaartekrachtgolf Het is een kleine verstoring in de ruimte-tijd die gewoonlijk optreedt als gevolg van gewelddadige astrofysische gebeurtenissen in het universum. Botsingen van compacte astrofysische objecten zoals zwarte gaten en neutronensterren zenden krachtige zwaartekrachtgolven uit. Een internationaal netwerk van zwaartekrachtobservatoria, incl Laserinterferometer zwaartekrachtgolfobservatorium In de Verenigde Staten worden deze golven routinematig gedetecteerd.

Onze recente onderzoeken suggereren dat deze harige kenmerken kunnen worden gemeten aan de hand van zwaartekrachtgolfgegevens Voor snel roterende zwarte gaten. Kijken naar zwaartekrachtgolfgegevens biedt de mogelijkheid om een ​​soort handtekening te verkrijgen die zou kunnen aangeven of een zwart gat dit type haar heeft.

Onze lopende onderzoeken De nieuwste vooruitgang van Som Bishoy, een student van het team, is gebaseerd op een combinatie van theoretische en computationele modellen van snel roterende zwarte gaten. Onze bevindingen zijn nog niet in de praktijk getest of waargenomen in echte zwarte gaten in de ruimte. Maar we hopen dat daar snel verandering in komt.

Lisa kreeg groen licht

In januari 2024 heeft de European Space Agency het ruimtesysteem officieel gecertificeerd Laserinterferometer voor ruimteantennes, of Lisa, de missie. LISA gaat zoeken naar zwaartekrachtsgolven, en de missiegegevens kunnen mijn team helpen onze vragen over zwarte gaten te beantwoorden.

Formele adoptie betekent dat het project Hij heeft groen licht Om de bouwfase in te gaan, met een geplande lancering in 2035. Lisa bestaat uit Drie ruimtevaartuigen Het is geconfigureerd in een perfecte gelijkzijdige driehoek die achter de aarde rond de zon loopt. Het zal elk ruimtevaartuig zijn Ze zijn gescheiden door 1,6 miljoen mijl (2,5 miljoen km).Ze zullen laserstralen uitwisselen om de onderlinge afstand tot ongeveer een miljardste inch te meten.

LISA zal zwaartekrachtsgolven detecteren van superzware zwarte gaten die miljoenen of zelfs miljarden keren massiever zijn dan onze zon. Het zal een kaart maken van de ruimte-tijd rond roterende zwarte gaten, waardoor natuurkundigen met een ongekend precisieniveau kunnen begrijpen hoe de zwaartekracht werkt in het gebied nabij zwarte gaten. Natuurkundigen hopen dat LISA ook eventuele roosterkenmerken van zwarte gaten kan meten.

met LIGO doet nieuwe waarnemingen Elke dag biedt LISA een kijkje in de ruimte-tijd rond zwarte gaten. Dit is een van de meest opwindende tijden om natuurkundige van zwarte gaten te zijn.