Takaisin vuonna 2017 gravitaatioaalto soi maan ympäri kuin kello selkeä soittoääni. Se venytti ja löysi jokaista ihmistä, muurahaisia ja tieteellisiä välineitä planeetalla kulkiessaan avaruusalueemme läpi. Nyt tutkijat ovat palanneet ja tutkineet tuota aaltoa ja löytäneet siitä piilotetun tiedon - tiedot, jotka auttavat vahvistamaan vuosikymmeniä vanhan astrofysiikan ajatuksen.
Tuo vuoden 2017 aalto oli iso juttu: Ensimmäistä kertaa tähtitieteilijöillä oli työkalu, joka pystyi havaitsemaan ja tallentamaan sen kulkiessaan, joka tunnetaan nimellä LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Ensimmäinen aalto oli seurauksena kahdesta mustasta reikästä, jotka kaatuivat kaukana avaruudessa. Ja nyt astrofysiikkojen ryhmä on ottanut uuden katselun nauhoitukseen ja löytänyt jotain, jonka muiden mielestä paljastaisi vuosikymmeniä: "Hiukset-lauseen" tarkka vahvistus. Tämä mustan aukon teorian olennainen osa juontaa juurensa ainakin 1970-luvulle - lause, josta Stephen Hawking epäilemättä epäili.
Kun fyysikot sanovat, että mustilla reikillä ei ole "hiuksia", MIT: n fyysikko ja paperin pääkirjailija Maximiliano Isi sanoi, astrofysiikan kohteet ovat hyvin yksinkertaisia. Mustat reiät eroavat toisistaan vain kolmella tavalla: linkousnopeus, massa ja sähkövaraus. Ja todellisessa maailmassa mustat aukot eivät todennäköisesti eroa paljon sähkövarauksessa, joten ne eroavat tosiasiallisesti vain massan ja kehruun suhteen. Fyysikot kutsuvat näitä kaljuja esineitä "Kerr-mustiksi reikiksi".
Tuo karvattomuus tekee mustista reikistä hyvin erilaisia kuin melkein kaikki muut maailmankaikkeuden esineet, Isi kertoi Live Science: lle. Esimerkiksi, kun todellinen kello soi, se lähettää ääni-aaltoja ja joitain havaitsemattomia, uskomattoman heikkoja gravitaatioaaltoja. Mutta se on paljon monimutkaisempi esine. Soittokello on valmistettu esimerkiksi materiaalista (ehkä pronssista tai valuraudasta), kun taas karvattoman mallin mukaan mustat aukot ovat kaikki yhdenmukaisia. Jokaisella kellolla on myös jonkin verran ainutlaatuinen muoto, kun taas mustat aukot ovat kaikki äärettömän pieniä, ulottumattomia pisteitä avaruudessa, jota ympäröivät pallomaiset tapahtumahorisontit. Kaikki nämä kellon ominaisuudet voidaan havaita kellojen antamassa äänessä - ainakin jos tiedät jotain kelloista ja ääniaalloista. Jos kykenisit jollain tavalla aistimaan kellon gravitaatioaaltoja, havaitsisit nuo kellon koostumuksen ja muodon erot myös niissä, Isi sanoi.
"Koko tämän liiketoiminnan salaisuus on, että aaltomuoto - tämän venytyksen ja puristuksen malli - koodaa tietoa lähteestä, asiasta, joka teki tämän painovoima-aallon", hän kertoi Live Science: lle.
Ja vuoden 2017 aaltoa tutkivat tähtitieteilijät oppivat paljon mustan aukon törmäyksestä, joka aiheutti sen, Isi sanoi.
Mutta nauhoitus oli heikko, eikä kovin yksityiskohtainen. Maailman paras gravitaatioaaltoilmaisin LIGO käytti laseria mittaamaan peilien väliset etäisyydet 2,5 mailin (4 km) päässä L-kuviossa Washingtonin osavaltiossa. (Neitsyt, samanlainen ilmaisin, otti myös aallon Italiassa.) Kun aalto pyörähti LIGO: n yli, se vääntyi itse avaruus-ajan ja muutti koskaan niin vähän tätä etäisyyttä. Mutta kyseisen gravitaatioaallon yksityiskohdat eivät olleet riittävän voimakkaita ilmaisimien tallentamiseksi, Isi sanoi.
"Mutta se on kuin kuuntelemme kaukaa", Isi sanoi.
Tuolloin tuo aalto tarjosi paljon tietoa. Musta reikä käyttäytyi odotetusti. Ei ollut mitään selvää näyttöä siitä, että sillä ei olisi tapahtumahorisonttia (alue, jonka ulkopuolelle valo ei pääse) ja että se ei poikkea dramaattisesti karvattomuudesta, sanoi Isi.
Mutta tutkijat eivät voineet olla kovin varmoja monista noista kohdista, etenkään karvattomasta lauseesta. Isi sanoi, että tutkittavan aaltomuodon yksinkertaisin osa tuli sen jälkeen, kun kaksi mustaa reikää sulautuivat yhdeksi suuremmaksi mustaksi reikäksi. Se soi jonkin aikaa, aivan kuin lyöty kello, lähettäen ylimääräisen energiansa avaruuteen painovoima-aalloina - mitä astrofysiikot kutsuvat "rengasprosessiksi".
Tuolloin LIGO-tietoja tarkastelleet tutkijat havaitsivat vain yhden aaltomuodon soittoäänessä. Tutkijoiden mielestä riittäisi arkaluontoisten instrumenttien kehittäminen kesti vuosikymmeniä, jotta kaikki hiljaisemmat ylääänet voitaisiin ottaa pois. Mutta yksi Isi: n kollegoista, Kalifornian teknillisen instituutin fyysikko Matt Giesler, tajusi, että heti törmäyksen jälkeen oli lyhyt aika, jolloin soittoääni oli riittävän voimakasta, jotta LIGO tallensi yksityiskohtaisemmin kuin tavallisesti. Ja noina aikoina aalto oli tarpeeksi kova, että LIGO otti ylääänen - toisen aallon eri taajuudella, aivan kuten heikot toissijaiset nuotit, jotka kulkevat iskunkellon äänessä.
Soittimissa ylääänet kantavat suurimman osan informaatiosta, joka antaa soittimille niiden erottuvat äänet. Sama pätee gravitaatioaallon ylääänisiin, hän sanoi. Ja tämä äskettäin paljastunut päällekkäys selkeysi soivan mustan aukon tietoja paljon, Isi sanoi.
Hän osoitti, että musta reikä oli ainakin hyvin lähellä Kerrin mustaa reikää. Hiuksetta -lausetta voidaan käyttää ennustamaan, miltä ylivalokuva näyttää; Isi ja hänen tiiminsä osoittivat, että ylivalta vastasi melkein tuota ennustetta. Ylääänen tallennus ei kuitenkaan ollut kovin selkeä, joten on silti mahdollista, että soittoääni poikkesi hieman - noin 10% - siitä, mitä lause ennustaisi…
Hänen mukaansa ylittääksesi tämän tarkkuustason, sinun on poistettava selkeämpi ääni mustan aukon törmäyksen aaltomuodosta tai rakennettava herkempi instrumentti kuin LIGO, Isi sanoi.
"Fysiikan tarkoitus on saada lähemmäksi ja lähemmäksi", Isi sanoi. "Mutta et voi koskaan olla varma."
On jopa mahdollista, että ylivalvonnasta tuleva signaali ei ole todellinen, vaan se tapahtui vain sattumanvaraisesti datan satunnaisvaihteluiden takia. He kertoivat "3,6σ: n luottamuksesta" ylääänen olemassaoloon. Tämä tarkoittaa, että on noin yksi 6,300: sta mahdollisuus, että ylivalvonta ei ole oikea signaali mustasta aukosta.
Kun instrumentit paranevat ja havaitaan enemmän painovoima-aaltoja, kaikkien näiden lukujen tulisi olla varmempia ja tarkempia, Isi sanoi. LIGO on jo käynyt läpi päivityksiä, jotka ovat tehneet mustien reikien törmäysten havaitsemisesta melko rutiininomaisen. Toisen päivityksen, joka on suunniteltu vuoden 2020 puoliväliin, pitäisi lisätä sen herkkyyttä kymmenkertaiseksi, sanoo Physics World. Kun avaruuspohjainen laserinterferometriavaruuden avaruusantenni (LISA) on julkaistu 2030-luvun puolivälissä, tähtitieteilijöiden pitäisi pystyä vahvistamaan mustien reikien karvaton varmuusasteeseen, joka on nykyään mahdotonta.
Isi kuitenkin sanoi, että on aina mahdollista, että mustat aukot eivät ole täysin kaljuja - niissä voi olla kvantti persikka-fuzz, joka on yksinkertaisesti liian pehmeää ja lyhyt soittimiemme poimintaan.
