07 февруари 2023
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Преди да се сблъскат, две черни дупки усукват пространство-времето на възли

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 19 октомври 2022 в 00:01 147290
Двойна система от черни дупки, погледната отгоре. Кредит: Bohn et al. (вж. http://arxiv.org/abs/1410.7775)

През февруари 2016 г. учените от Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) обявяват първото в историята откриване на гравитационни вълни. Първоначално предсказани от Общата теория на относителността на Айнщайн, тези вълни представляват пулсации в пространство-времето, които се появяват винаги, когато масивни обекти (като черни дупки и неутронни звезди) се сливат. Оттогава насам обсерваториите по целия свят са засекли безброй случаи на гравитационни вълни - до степен, в която те са станали почти ежедневно явление. Това позволи на астрономите да придобият представа за някои от най-екстремните обекти във Вселената.

В неотдавнашно проучване международен екип изследователи, ръководен от Университета в Кардиф, наблюдава двойна система от черни дупки, първоначално открита през 2020 г. от усъвършенстваната обсерватория за гравитационни вълни LIGO, Virgo и Kamioki (KAGRA). В процеса на работа екипът забелязва своеобразно усукващо движение (известно още като прецесия) в орбитите на двете сблъскващи се черни дупки, което е 10 милиарда пъти по-бързо от това, което е отбелязано при други прецесиращи обекти. За първи път прецесия се наблюдава при двойки черни дупки, което потвърждава още едно явление, предсказано от Общата теория на относителността (ОТО).

Прецесия

Когато едно тяло се върти около собствената си ос под ъгъл, различен от оста на въртене, подобно на клатушкането на пумпалите, това се нарича прецесия. Оста на въртене на Земята също прецесира - нашият ъгъл е 23,5°

Екипът е ръководен от професор Марк Ханъм (Mark Hannam), д-р Чарли Хой (Charlie Hoy) и д-р Джонатан Томпсън (Jonathan Thompson) от Института за изследване на гравитацията към Университета в Кардиф. Към тях се присъединяват изследователи от лабораторията LIGO, Института за наука и технологии в Барселона, Института за гравитационна физика Макс Планк, Института заастрономия на гравитационните вълни, Центъра за върхови постижения ARC за откриване на гравитационни вълни, Алианса на физиката на шотландските университети (SUPA) и други изследователски институти на за гравитационни вълни.

Двойките черни дупки се смятат за основен кандидат за изследване на гравитационни вълни, тъй като астрономите очакват, че някои от тях ще се състоят от прецесиращи двойни системи. При този сценарий черните дупки ще обикалят една около друга по все по-стесняващи се орбити, генерирайки все по-силен гравитационно-вълнов сигнал, докато се слеят. Засега обаче не са наблюдавани категорични доказателства за орбитална прецесия от 84-те системи двойки черни дупки, открити от Advanced LIGO и Virgo. Екипът обаче забеляза нещо различно при изследването на събитието GW200129, засечено от колаборацията LIGO-Virgo-KAGRA по време на третия й експлоатационен цикъл (O3).

Една от черните дупки в тази система (~40 слънчеви маси) се счита за най-бързо въртящата се черна дупка, откривана някога чрез гравитационни вълни. За разлика от всички предишни наблюдения на двойки черни дупки, бързото въртене на системата има толкова силен ефект върху пространство-времето, че цялата система се люлее. Тази форма на прецесия е известна като „усукване на инерциални системи“ (наречена също „прецесия на Лензе - Тиринг“) - тълкуване на Общата теория на относителността, при което гравитационните сили са толкова силни, че "усукват" със себе си самата тъкан на пространство-времето.

Кредит: ESO

Същото явление се наблюдава при наблюдение на орбитата на Меркурий, която периодично прецесира, докато обикаля около Слънцето. Накратко, траекторията на Меркурий около Слънцето е силно ексцентрична и най-отдалечената точка на неговата орбита (перихелий) също се движи с течение на времето, въртейки се около Слънцето като въртящ се връх. Тези наблюдения са един от начините, по които теорията на относителността е проверена (и потвърдена) след официалното ѝ формулиране от Айнщайн през 1916 г. По принцип прецесията в Общата теория на относителността обикновено има толкова слаб ефект, че е почти незабележима. 

"Това е много труден за идентифициране ефект. Гравитационните вълни са изключително слаби и за откриването им е необходима най-чувствителната измервателна апаратура в историята. Прецесията е още по-слаб ефект, заровен във вече слабия сигнал, така че трябваше да направим внимателен анализ, за да го открием", обяснява д-р Томпсън в неотдавнашно съобщение за пресата на Университета в Кардиф.

Досега най-бързият известен пример е двоен пулсар и са били необходими над 75 години, за да се обработи орбитата му. В този случай двойката черни дупки, известна като GW200129 (наблюдавана на 29 януари 2020 г.), обработва няколко пъти в секунда - ефект, който е 10 милиарда пъти по-силен от двойния пулсар. Дори и така, потвърждаването на факта, че черните дупки в тази система се прецесират, е значително предизвикателство.

"Досега повечето черни дупки, които сме откривали с гравитационни вълни, се въртяха сравнително бавно. По-голямата черна дупка в тази двойка, която е около 40 пъти по-масивна от Слънцето, се въртеше почти толкова бързо, колкото е физически възможно. Сегашните ни модели за това как се образуват двойните черни дупки предполагат, че тази двойка е била изключително рядка, може би едно на хиляда събития. Или пък това може да е знак, че моделите ни трябва да се променят", коментира д-р Хой, който сега е изследовател в Университета в Портсмут.

Тези резултати потвърждават, че преди сливането на черните дупки - най-екстремното гравитационно събитие, наблюдавано някога от астрономите - двойката черни дупки могат да изпитват орбитална прецесия. Това е и последният от дългата поредица примери, които показват как гравитационно-вълновата астрономия позволява на астрономите да изследват законите на физиката при най-екстремните условия, които можем да си представим. С мрежата, състояща се от усъвършенствани детектори LIGO, Virgo и KAGRA в САЩ, Европа и Япония, тя е и една от най-жизнените области на астрономическите изследвания.

В момента тази мрежа се модернизира, за да се повиши чувствителността ѝ към гравитационно-вълнови събития, и през 2023 г. ще започне четвъртия цикъл от наблюдения (O4). Когато това се случи, се очаква да бъдат засечени няколкостотин сблъсъка на черни дупки, които ще бъдат добавени към каталога на гравитационни вълни. Това ще позволи на астрономите да придобият по-добра представа за най-екстремното гравитационно явление във Вселената и ще им позволи да разберат дали GW200129 е бил отклонение или подобни екстремни събития са често срещано явление.

Това изследване е финансирано от Съвета за научни и технологични съоръжения (STFC) - част от организацията за научни изследвания и иновации на Обединеното кралство (UKRI) - и от Европейския съвет за научни изследвания (ERC) на Европейската комисия. 

Справка: General-relativistic precession in a black-hole binary; Mark Hannam, Charlie Hoy, Jonathan E. Thompson, Stephen Fairhurst et al, Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05212-z свободен достъп

Източник: Shortly Before They Collided, two Black Holes Tangled Spacetime up Into Knots, Universe Today


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.