I februar 2016forskere ved Laser Interferometer gravitasjonsbølgeobservatoriet (LIGO) annonserte den første oppdagelsen noensinne av gravitasjonsbølger (GWs). Opprinnelig spådd av Einsteins teori om generell relativitet, disse bølgene er krusninger i romtiden som oppstår når massive objekter (som sorte hull og nøytronstjerner) smelter sammen. Siden den gang har utallige GW-hendelser blitt oppdaget av observatorier over hele kloden – til det punktet hvor de har blitt en nesten daglig foreteelse. Dette har gjort det mulig for astronomer å få innsikt i noen av de mest ekstreme objektene i universet.
I en nylig studieobserverte et internasjonalt team av forskere ledet av Cardiff University et binært sort hull-system som opprinnelig ble oppdaget i 2020 av Avansert LIGO, Jomfruenog Kamioki gravitasjonsbølgeobservatorium (KAGRA). I prosessen la teamet merke til en særegen vridningsbevegelse (aka. en presesjon) i banene til de to kolliderende sorte hullene som var 10 milliarder ganger raskere enn det som ble registrert med andre objekter foran. Dette er første gang en presesjon er observert med binære sorte hull, noe som bekrefter enda et fenomen forutsagt av General Relativity (GR).
Teamet ble ledet av professor Mark Hannam, Dr. Charlie Hoy og Dr. Jonathan Thompson fra Gravity Exploration Institute ved Cardiff University. De fikk selskap av forskere fra LIGO Laboratoriumden Barcelona Institute of Science and Technologyden Max Planck-instituttet for gravitasjonsfysikkden Institutt for gravitasjonsbølgeastronomiden ARC Center of Excellence for gravitasjonsbølgeoppdagelseden Scottish Universities Physics Alliance (SUPA) og andre GW forskningsinstitutter.
Fjern alle annonser på Universe Today
Bli med på vår Patreon for så lite som $3!
Få en annonsefri opplevelse for livet
Binære sorte hull (BBH-er) anses som en førsteklasses kandidat for å forske på GW-er siden astronomer forventer at noen vil bestå av forutgående binærfiler. I dette scenariet vil sorte hull sirkle rundt hverandre i stadig strammere baner, og generere et stadig sterkere GW-signal til de smelter sammen. Imidlertid har ingen definitive bevis for orbital presesjon blitt observert fra de 84 BBH-systemene oppdaget av Advanced LIGO og Jomfruen så langt. Imidlertid la teamet merke til noe annerledes da de undersøkte GW200129-hendelsen oppdaget av LIGO – Virgo – KAGRA samarbeid under sin tredje operasjonelle kjøring (O3).
Et av de sorte hullene i dette systemet (~40 solmasser) regnes som det raskest roterende sorte hullet som noen gang er oppdaget gjennom gravitasjonsbølger. I motsetning til alle tidligere observasjoner av BBH-er, har systemets raske rotasjon en så dyp effekt på romtiden at hele systemet slingrer frem og tilbake. Denne formen for presesjon er kjent som Ramme dra (aka. Lense–Thirring-effekten), en tolkning av GR der gravitasjonskreftene er så sterke at de “drar” selve romtidens struktur med seg.
Det samme fenomenet sees når man observerer Merkurs bane, som med jevne mellomrom går foran når den kretser rundt solen. Kort sagt, Merkurs bane rundt solen er svært eksentrisk, og det fjerneste punktet i dens bane (perihelium) beveger seg også over tid, og roterer rundt solen som en snurre. Disse observasjonene er en av måtene GR ble testet (og bekreftet) etter at Einstein formaliserte den i 1916. Generelt er presesjon i generell relativitetsteori vanligvis en så svak effekt at den er nesten umerkelig. Som Dr. Thompson forklarte i et nylig Cardiff University pressemelding:
«Det er en veldig vanskelig effekt å identifisere. Gravitasjonsbølger er ekstremt svake og for å oppdage dem kreves det mest følsomme måleapparatet i historien. Presesjonen er en enda svakere effekt begravd inne i det allerede svake signalet, så vi måtte gjøre en nøye analyse for å avdekke den.»
Tidligere var det raskeste kjente eksemplet en binær pulsar som tok over 75 år for banen å behandle. I dette tilfellet behandler BBH kjent som GW200129 (observert 29. januar 2020) flere ganger i sekundet, en effekt som er 10 milliarder ganger så sterk som den binære pulsaren. Allikevel var det en betydelig utfordring å bekrefte at de sorte hullene i dette systemet var på vei. Sa Dr. Hoy, som nå er forsker ved University of Portsmouth:
“Så langt har de fleste sorte hull vi har funnet med gravitasjonsbølger snurret ganske sakte. Det større sorte hullet i denne binæren, som var omtrent 40 ganger mer massiv enn solen, snurret nesten så fort som fysisk mulig. Våre nåværende modeller for hvordan binærfiler dannes, antyder at denne var ekstremt sjelden, kanskje en hendelse på én av tusen. Eller det kan være et tegn på at modellene våre må endres.»
Disse resultatene bekrefter at før sorte hull smelter sammen – den mest ekstreme gravitasjonshendelsen astronomer noen gang har observert – kan BBH-er oppleve en orbitalpresesjon. Det er også det siste i en lang rekke eksempler som viser hvordan GW-astronomi lar astronomer undersøke fysikkens lover under de mest ekstreme forhold man kan tenke seg. Med et nettverk bestående av avanserte LIGO-, Jomfru- og KAGRA-detektorer i USA, Europa og Japan, er det også et av de mest levende feltene innen astronomisk forskning.
Dette nettverket blir for tiden oppgradert for å øke følsomheten for GW-hendelser og vil starte sin fjerde runde med observasjoner (O4) i 2023. Når dette skjer, er det håp om at flere hundre sorte hullkollisjoner vil bli oppdaget og lagt til GW-katalogen. Dette vil tillate astronomer å få større innsikt i det mest ekstreme gravitasjonsfenomenet i universet og la dem få vite om GW200129 var en uteligger eller om slike ekstreme hendelser er en vanlig forekomst.
Denne forskningen ble finansiert av Science and Technology Facilities Council (STFC) – en del av Storbritannias forskning og innovasjon (UKRI) organisasjon – og EU-kommisjonens Det europeiske forskningsrådet (ERC). Artikkelen som beskriver funnene deres, med tittelen “Generell-relativistisk presesjon i en svart-hulls binær“, dukket nylig opp i journalen Natur.
Videre lesning: Cardiff University, Natur