A fekete lyukak gyűrűs lecsengései a környező anyag új fizika jeleit tárhatják fel, új módszert kínálva a tudósoknak a gravitáció szélsőséges körülmények közötti tesztelésére.
Amikor két fekete lyuk összeütközik és eggyé lesz, az újonnan kialakult óriás nemcsak ül ott. Úgy cseng, mint egy megütött harang, gravitációs hullámokat bocsátva ki, amelyek a másodperc töredéke alatt elhalványulnak. A tudósok úgy vélik, hogy az elhalványuló zümmögés, az úgynevezett ringdown, nyomokat rejthet a fekete lyuk körül megbúvó anyagról, amelyeket eddig soha nem sikerült látnunk. A kutatást a japán Nagoya Egyetem csapata vezette.
Egy jelenség, ami bonyolítja Einstein egyenleteit
Einstein legegyszerűbb fekete lyuk-képe szerint a gyűrű alakú lecsengés pontosan két dologtól függ: a fekete lyuk tömegétől és a forgási sebességétől. A teoretikusok azonban régóta tűnődtek azon, hogy vajon a fekete lyukak hordoznak-e valami extrát – valamiféle rejtett anyagot vagy finom eltérést Einstein szövevényes jóslataitól. A fizikusoknak van egy becenevük erre a plusz szerkezetre: fekete lyuk haj. Ha létezik, a gyűrűlecsengés nem egészen úgy hangzana, ahogy egy átlagos fekete lyuktól elvárják.
A Nagoya vezette csapat elhatározta, hogy kitalálja, pontosan hogyan is hangozhat ez a különbség. Azt találták, hogy a rejtett anyag nem egyformán hat a gyűrűlejtés minden részére: a hullámok frekvenciája és a kihalásuk sebessége eltérően reagál rá. Kiderült, hogy ez az eltérés lehet a lényeg. Ha egy valódi jelben a frekvencia és a fade-out sebesség közötti megfelelő rést észleljük, akkor valószínűleg szőrszálak nyomait látjuk.
A forgó fekete lyukak esetében a kép még texturáltabbá válik. A rejtett anyag eltérően változtatja a gyűrű alakú lefutást attól függően, hogy a gravitációs hullámok a fekete lyuk forgásával vagy azzal ellentétesen haladnak.
Az általános relativitáselmélet tesztelése fekete lyukakkal
A tudósok még mindig tesztelik, hogy az általános relativitáselmélet mennyire állja meg a helyét az univerzum legszélsőségesebb szegleteiben, és a fekete lyukak nagyjából a lehető legszélsőségesebbek. Ott a gravitáció elég erős ahhoz, hogy meggörbítse a fény útját. Pontosan ezért a legjobb hely a rejtett fizika kutatására: ha anyag vagy ismeretlen erők játszanak szerepet, az ujjlenyomataik ott mutatkoznak meg a legtisztábban, ahol a gravitáció a legerősebb.
A baj az, hogy a hajszálak detektálása mindig is mozgó célpont volt, mivel a különböző típusú extra anyagok különböző módon hatnak a gyűrűlejtésre, ami megnehezíti annak pontos meghatározását, hogy milyen mintázatot kell keresni.
A tanulmány első szerzője, Ariadna Uxue Palomino Ylla PhD-hallgató a Nagoya Egyetem Tudományegyetemének Doktori Iskolájában elmondta: „A fekete lyuk szőrzete a fekete lyukat körülvevő anyagot, vagy az általános relativitáselmélet által megjósolt legegyszerűbb fekete lyukfajtától való eltéréseket jelképezheti. Mivel ezek kissé megváltoztathatják a csengetési jelet, ezen változások észlelése vagy kizárása új módszert kínálhat a gravitáció tesztelésére ebben a szélsőséges régióban.”
A fénypályáktól visszafelé haladva
Hogy mindezt megértsék, a kutatók egy ismert összefüggésre támaszkodtak: a fény fekete lyuk közelében való keringése matematikailag összefügg a fekete lyuk gyűrűsödésének viselkedésével. Ha ismerjük az egyiket, kiszámíthatjuk a másikat is. Standard fekete lyuk modelleket vettek, bevezették a lehetséges fekete lyukszőrzethez kapcsolódó kis eltéréseket, és kiszámították, hogy ezek a változások hogyan alakítják át a gyűrűzés frekvenciáját és a fade-out sebességét. A csapat három jól ismert elméleti fekete lyukon tesztelte a módszert, majd továbbfejlesztette, kiterjesztve azt forgó fekete lyukakra is.
A központi felfedezés az, hogy a rejtett anyag nemcsak „mássá” teszi a lecsengést, hanem specifikus módon a frekvenciát és a lecsengési sebességet is eltávolítja egymástól. Az, hogy milyen messze sodródnak egymástól, attól függ, hogy mennyi rejtett anyag van jelen, és hogyan oszlik meg a nyomása a fekete lyuk körül.
„A gyűrűhullámok nemcsak azt mutathatják, hogy valami extra hatással van a fekete lyukra; a jel változásának módja arra is utalhat, hogy valójában milyen ez a rejtett anyag” – mutatott rá Palomino Ylla.
Megosztott eszköztár
Ahelyett, hogy minden lehetséges fekete lyuk szőrszáltípus esetében a nulláról indulnának, az új módszer közös keretet ad a fizikusoknak annak előrejelzésére, hogy a plusz anyag vagy az új fizika hogyan alakíthatja át a gyűrűs jelet.
Az eddigi eredmények korai becslések, nem megerősített észlelések, de olyasmit adnak a tudósoknak, amivel korábban nem rendelkeztek: egy hozzávetőleges térképet arról, hogy mit kell keresniük, ha egy valódi fekete lyuk jele valaha is kicsit eltér a valóságtól. Később ugyanez a megközelítés segíthet a kutatóknak a fekete lyuk méretének, spinjének és az esetlegesen rejtett szőrszálaknak a gyűrűzése során hátrahagyott hullámokból való kiolvasásában – írta az Earth.com.
