Tilbage i 2017 ringede en tyngdekraft over hele Jorden som den klare tone fra en klokke. Det strakte og klemte enhver person, myr og videnskabeligt instrument på planeten, da det passerede gennem vores område af rummet. Nu er forskere gået tilbage og studeret den bølge og fundet skjulte data i den - data, der hjælper med at bekræfte en årtiers gammel astrofysikidee.
Denne bølge i 2017 var en stor aftale: For første gang havde astronomer et værktøj, der kunne registrere og registrere det, da det gik forbi, kendt som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Den første bølge var resultatet, de fandt, af to sorte huller, der styrtede sammen langt væk i rummet. Og nu har et team af astrofysikere taget et andet kig på optagelsen og fundet noget, som andre troede ville tage årtier at afsløre: præcis bekræftelse af "ikke-hår teorem". Dette essentielle aspekt af sort hulteori går mindst tilbage til 1970'erne - et teorem, som Stephen Hawking berømt tvivlede på.
Når fysikere siger, at sorte huller ikke har "hår", sagde Maximiliano Isi, fysiker ved MIT og hovedforfatter af papiret, mener de, at astrofysiske genstande er meget enkle. Sorte huller adskiller sig kun fra hinanden på tre måder: omdrejningshastighed, masse og elektrisk ladning. Og i den virkelige verden adskiller sorte huller sandsynligvis ikke meget i elektrisk ladning, så de adskiller sig egentlig kun med hensyn til masse og spin. Fysikere kalder disse skaldede genstande "Kerr sorte huller."
Denne hårløshed gør sorte huller meget forskellige fra næsten alle andre objekter i universet, fortalte Isi til Live Science. Når for eksempel en rigtig klokke ringer, udsender den lydbølger og nogle udetekterbare, utroligt svage tyngdekraftsbølger. Men det er et meget mere kompliceret objekt. En klokke er for eksempel lavet af et materiale (måske bronze eller støbejern), mens sorte huller ifølge no-hair modellen er ensartede entaliteter. Hver klokke har også en noget unik form, hvorimod sorte huller alle er uendelige, dimensionelle punkter i rummet omgivet af sfæriske begivenhedshorisonter. Alle disse træk ved en klokke kan registreres i lyden, som en klokke laver - i det mindste hvis du ved noget om klokker og lydbølger. Hvis du på en eller anden måde kunne mærke en klokkes tyngdekraftsbølger, ville du også registrere de forskelle i klokkesammensætning og form også i dem, sagde Isi.
"Hemmeligheden bag hele denne forretning er, at bølgeformen - mønsteret af denne strækning og klemme - koder information om kilden, det, der gjorde denne tyngdekraftsbølge," fortalte han Live Science.
Og astronomer, der studerede 2017-bølgen, lærte en hel del om kollisionen med det sorte hul, der gød den, sagde Isi.
Men optagelsen var svag og ikke særlig detaljeret. LIGO, den bedste gravitationsbølgedetektor i verden, brugte en laser til at måle afstanden mellem spejle, der var anbragt 4 km (4 kilometer) fra hinanden i et L-mønster i delstaten Washington. (Jomfruen, en lignende detektor, hentede også bølgen i Italien.) Da bølgen rullede over LIGO, fordrejede den rumtiden selv og ændrede den afstand så lidt. Men detaljerne i denne graviationsbølge var ikke intense nok til at detektorerne kunne registrere, sagde Isi.
”Men det er som om vi lytter meget langt væk,” sagde Isi.
På det tidspunkt bød denne bølge en masse information. Det sorte hul opførte sig som forventet. Der var ingen åbenlyse beviser for, at det manglede en begivenhedshorisont (regionen, hvorfra intet lys kan undslippe), og at det ikke dramatisk afviger fra teoremet om ikke-hår, sagde Isi.
Men forskere kunne ikke være meget sikre på mange af disse punkter, især sætningen uden hår. Den enkleste del af bølgeformen at studere, sagde Isi, kom efter, at de to sorte huller blev smeltet sammen til et større sort hul. Det fortsatte med at ringe i et stykke tid, meget ligesom en slået klokke, og sendte sin overskydende energi ud i rummet som tyngdekraftsbølger - hvad astrofysikere kalder "ringdown" -processen.
På det tidspunkt opdagede forskere, der kiggede på LIGO-data, kun en bølgeform i ringdown. Forskere troede, det ville tage årtier at udvikle instrumenter, der er følsomme nok til at hente eventuelle mere støjsvage overtoner i ringdown. Men en af Isis kolleger, Matt Giesler, en fysiker ved California Institute of Technology, regnede med, at der var en kort periode lige efter kollisionen, hvor nedlukningen var intens nok til at LIGO registrerede flere detaljer end sædvanligt. Og i de øjeblikke var bølgen høj nok, at LIGO tog en overtone - en anden bølge på en anden frekvens, meget ligesom de svage sekundære toner, der bæres i lyden af en slået klokke.
I musikinstrumenter bærer overtoner det meste af informationen, der giver instrumenter deres karakteristiske lyde. Det samme er tilfældet med overtonerne i en gravitationsbølge, sagde han. Og denne nyligt afdækkede overtone klarede dataene om det ringende sorte hul meget, sagde Isi.
Det viste, sagde han, at det sorte hul i det mindste var meget tæt på et Kerr-sort hul. Nej-teoremet kan bruges til at forudsige, hvordan overtonen vil se ud; Isi og hans team viste, at overtonen stort set matchede denne forudsigelse. Optagelsen af overtonen var imidlertid ikke særlig klar, så det er stadig muligt, at tonen var lidt anderledes - med ca. 10% - fra hvad sætning ville forudsige ...
For at komme ud over det præcisionsniveau, sagde han, ville du have brug for at udtrække en klarere overtone fra bølgeformen ved en kollision i sort hul eller bygge et mere følsomt instrument end LIGO, sagde Isi.
”Fysik handler om at komme nærmere og tættere,” sagde Isi. "Men du kan aldrig være sikker."
Det er endda muligt, at signalet fra overtonen ikke er reelt, men skete ved en tilfældighed på grund af tilfældige udsving i dataene. De rapporterede om en "3,6 confidence tillid" til overtonens eksistens. Det betyder, at der er ca. en 1 til 6.300 chance for, at overtonen ikke er et sandt signal fra det sorte hul.
Efterhånden som instrumenter forbedres og flere gravitationsbølger opdages, bør alle disse numre blive mere selvsikre og præcise, sagde Isi. LIGO har allerede været igennem opgraderinger, der har gjort detektering af sort hul kollisioner temmelig rutine. En anden opgradering, der er planlagt til midten af 2020, skulle øge dens følsomhed ti gange, ifølge Physics World. Når den pladsbaserede laserinterferometer rumantenne (LISA) er lanceret i midten af 2030'erne, skal astronomer være i stand til at bekræfte hårløshed i sorte huller til grader af sikkerhed umulig i dag.
Isi sagde, det er dog altid muligt, at sorte huller ikke er helt skaldede - de kan have nogle kvante-fersken fuzz, der er enkel for blød og kort til, at vores instrumenter kan samles op.
