Sammanslagning av två svarta hål har tre stadier: inspirations-, sammanslagnings- och nedringningsfaser. Karakteristisk gravitationsvågor släpps ut i varje fas. Den sista nedringningsfasen är mycket kort och kodar information om egenskaper hos final svart hål. Omanalys av data från binär svart hål fusionshändelse GW190521 har för första gången tillhandahållit bevis på signaturefterskalv av fusionen i form av två separata svaga ringdown-frekvenser producerade av den resulterande singeln svart hål när det satte sig till en stabil symmetrisk form. Detta är den första upptäckten av flera gravitationsvågsfrekvenser i nedringningsstadiet. Precis som en klocka "ringar" en tid efter att ha fastnat, förvrängdes den resulterande singeln svart hål bildas efter sammanslagningen "ringar" under en tid avger svagt gravitationsvågor innan symmetrisk stabil form uppnås. Och precis hur formen på klockan bestämmer de specifika frekvenserna med vilka klockan ringer, på samma sätt, enligt no-hair-satsen, massa och spin av svart hål bestämma ringdown-frekvenser. Därför banar denna utveckling väg för användning av ringdown-frekvenser för att studera egenskaper hos final svart hål.
Svarta hål är massiva föremål med extremt starka gravitationsfält. När två kretsande svarta hål spiral runt varandra och så småningom smälter samman, tyget av plats-tider runt dem är störda som skapar krusningar av gravitationsvågor strålar utåt. Sedan september 2015 när gravitationsvågsastronomi började med LIGO:s första upptäckt av gravitationsvågor skapas genom en sammanslagning av två svarta hål 1.3 miljarder ljusår bort, smälter samman svarta hål upptäcks nu rutinmässigt nästan en gång i veckan.
Fusionen av svarta hål har tre faser. När de två svarta hål är vitt åtskilda, de långsamt bana varandra avger svagt gravitationsvågor. Binären flyttas gradvis till mindre och mindre banor som systemets energi går förlorad i form av gravitationsvågor. Detta är inspirerande fas av koalescens. Nästa är sammanslagningsfasen när de två svarta hål komma tillräckligt nära för att smälta samman för att bilda en singel svart hål med förvrängd form. De starkaste gravitationsvågorna (GW) emitteras i detta skede som nu rutinmässigt detekteras och registreras av gravitationsvågsobservatorier.
Fusionsfasen följs av en mycket kort etapp som kallas nedringningsstadiet varvid den resulterande singeln förvrängd svart hål uppnår snabbt mer stabil sfärisk eller sfärisk form. Gravitationsvågor som släpps ut i nedringningsfasen är dämpade och mycket svagare än de GW som släpps ut i sammanslagningsfasen. Precis som en klocka "ringar" en tid efter att ha fastnat, den resulterande singeln svart hål "ringar" under en tid och avger mycket svagare gravitationsvågor innan symmetrisk stabil form uppnås.
De svaga multipla ringdown-frekvenserna för gravitationsvågor släpptes under nedläggningsfasen av sammanslagning av två svarta hål varit oupptäckta hittills.
Ett forskarlag har nyligen lyckats detektera flera gravitationsvågsfrekvenser i ringdown-stadiet av binär svart hål fusionshändelse GW190521. De sökte efter individuella tonande toner i nedringningsfrekvenserna utan att ta hänsyn till något samband med frekvenser och dämpningstider och lyckades identifiera två lägen som antydde den resulterande deformerade svart hål sänt ut minst två frekvenser efter sammanslagningen. Detta förutspåddes av Einsteins allmänna relativitetsteori, varför resultatet bekräftar teorin. Vidare jämförde forskare frekvenserna och dämpningstiderna för de två ringdown-lägena som hittades i sammanslagningshändelsen för att testa "no-hair theorem" (som svarta hål kännetecknas helt av massa och spinn och inget annat "hår" behövs för att beskriva dess egenskaper) och hittade ingenting utöver den allmänna relativitetsteorien.
Detta är en milstolpe eftersom det var allmänt ansett att observation av flera ringdown-frekvenser inte skulle vara möjlig innan nästa generation gravitationsvågsdetektorer blir tillgängliga i framtiden.
***
Källor:
- Capano, CD et al,. 2023. Multimode Quasinormal Spectrum från ett stört svart hål. Fysiska granskningsbrev. Vol. 131, nummer 22. 1 december 2023. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.221402
- Max-Planck-Institut fürGravitationsphysik(Albert-Einstein-Institut), 2023. Nyheter – För vem det svarta hålet ringer. Tillgänglig på https://www.aei.mpg.de/749477/for-whom-the-black-hole-rings?c=26160
***
