Nysgjerrig Black Hole Crash i Deep Space etterlater astrofysikere forvirret

Svarte hull kollisjoner er noen av de mest ekstreme fenomenene i universet. Når de to massive, usynlige kroppene går i spiral mot hverandre, forstyrrer de romtidens struktur, og sender ut krusninger over universet. Disse krusningene – gravitasjonsbølger – skyller til slutt over jorden, hvor noen svært følsomme detektorer i USA, Italia og Japan kan “høre” dem.

En slik krusning skyllet over planeten vår i de tidlige timene 29. januar 2020. Den ble fanget opp av de doble detektorene til Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA og en tredje detektor, Jomfruen, i Italia. Detektorenes karakteristiske kvitring antydet at et par sorte hull, ett som var rundt 40 ganger solens masse og det andre 22 ganger, hadde knust sammen.

I en ny studie, publisert onsdag i tidsskriftet Nature, undersøkte forskere bølgen fra denne kollisjonen, kalt GW200129, som – da den først ble oppdaget – viste et merkelig signal. Bølgens kvitring så ut til å antyde at de sorte hullene som krasjet inn i hverandre “svinglet” rundt i deres bane. Denne vaklingen er, vitenskapelig, kjent som “presesjon”, og det ville være første gang vi har sett denne effekten i sorte hull.

Imidlertid er andre gravitasjonsbølgeforskere ikke så sikre på at signalet gir bevis på dette fenomenet. I stedet har de lurt på om dataene kan være påvirket av en feil i en av gravitasjonsbølgedetektorene som først oppdaget GW200129.

Hva skjer med GW200129?

Først, la oss snakke om den “vinglingen”. For å visualisere presesjon, tenk på jorden som kretser rundt solen. Du ser sannsynligvis for deg den lille, blågrønne planeten vår som roterer rundt den store, varme gassballen på et flatt plan. Planeten beveger seg rundt solen uten å avvike «opp» eller «ned». Den beveger seg bare rundt solen som en racerbil på Daytona 500-banen. (La oss ikke få inn i jordens aksiale presesjon her)

To sorte hull deler det samme forholdet, roterer rundt hverandre på et fint, flatt baneplan, og avgir energi i form av gravitasjonsbølger når de sirkler stadig nærmere hverandre. Men i “presessering” av sorte hull blir orbitalplanet forvrengt over tid. Einsteins tilsynelatende ubrytelige teori om generell relativitet antyder hvordan individuelle sorte hull spinner (ja, de spinner) kan påvirke presesjon. Når spinnene er feiljustert, kan baneplanet roteres.

Du kan se et eksempel på dette produsert av Vijay Varmaen Caltech-astrofysiker, takket være et verktøy han produsert i et papir fra 2018 i GIF-en ovenfor.

I teorien kan astrofysikere “se” presesjon i binære sorte hull ved å studere gravitasjonsbølgesignalet, men det er ekstremt subtil. Forfatterne av den nye forskningen tror de har fanget dette unnvikende tegnet i dataene – oppdaget et svart hull binært som vinglet og vippet over alt.

“Det er ekstremt spennende å endelig ha observert det,” sier Mark Hannam, professor i astrofysikk ved Cardiff University i Storbritannia og førsteforfatter på den nye studien. “Dette er noe vi har håpet å observere siden de første oppdagelsene i 2015, både fordi det er en generell relativitetseffekt vi ennå ikke har sett i det ekstreme regimet med svarte hull-fusjoner, og det har potensial til å fortelle oss en mye om hvordan sorte hull dannes.”

Husker du at jeg nevnte at sorte hull kan spinne? Vel, generelt spinner sorte hull som dannes når en stjerne kollapser ganske sakte og uten presesjon. Men sorte hull som er skapt ved dannelsen av to annen sorte hull som kolliderer kan ha ganske uvanlige spinn og ekstreme hastigheter, noe som kan sette hele systemet i uorden. Dermed bemerker Hannam, “en mulighet er at det større sorte hullet ble produsert i en tidligere sammenslåing av to sorte hull.”

Ganske bemerkelsesverdig, men er saken lukket? Ikke så fort.

Feil i space-trix

Selv om signalet kan tolkes som et par vaklende, forutgående sorte hull, har andre astrofysikere bemerket at GW200129 kan være noe langt mindre spennende: En feil.

“I tilfellet med GW200129 var det en svak, men tilstedeværende feil i LIGOs Livingston-detektor sammenfallende med hendelsen,” sa Ethan Payne, en astrofysiker ved Caltech. Payne skrev nylig en preprint-artikkel, lastet opp til nettstedet arXiv i junisom beskriver GW200129 som en “kuriøs sak” og presenterer argumentet om at en slik feil kan påvirke signalet.

Gravitasjonsbølgedetektorer kan oppleve feil og støy som noen ganger skjuler signalene. De fleste, sa Payne, påvirker ikke vår forståelse av hvor en gravitasjonsbølge oppsto. Med noen finesser kan forskere redegjøre for støy og feil. Dette var tilfellet med den aller første oppdagelsen av gravitasjonsbølger fra to kolliderende nøytronstjernermen forskere var i stand til å modellere og “trekke fra” feilen.

Når det gjelder GW200129, ble en annen sensor i gravitasjonsbølgedetektoren brukt til å trekke ut feilen fra Hannam i den nye studien. “Feilingen var kanskje ikke perfekt, men det er ekstremt usannsynlig at noe som er til overs kan etterligne presesjonen vi har sett,” sa Hannam. Han sier at han er trygg på teamets resultat på grunn av all utviklingen som gikk med til å forberede dataene fra detektorene og kontrollene som ble gjort av teamets egen analyse.

Men det er fortsatt usikkerhet. Paynes arbeid antyder at noen av de fine vitenskapsmennene som har gjort kan fjerne alle bevis på feilen. Andre astrofysikere jeg snakket med antyder at analysen ikke fullt ut har redegjort for dette.

“Jeg synes det er spennende arbeid,” sa Eric Thrane, en astrofysiker ved Monash University i Australia og medlem av LIGO-Virgo-samarbeidet som ikke var tilknyttet forskningen, “men i lys av Payne[‘s paper]Jeg er ikke sikker på at de har demonstrert det de satte seg fore.”

Det skal bemerkes at prosessen med å analysere GW200129-signalet, bestemme dets presesjon, skrive den nye studien og få den akseptert for publisering i Nature tar lang tid. Hannam og hans medforfattere forberedte dette stykket lenge før problemene med LIGO-feilen var fullstendig løst. Det nye papiret har ikke diskutert problemer reist av analysen utført av Payne og teamet hans, men Hannam bemerker at “metoden deres fortsatt trenger utvikling.”

Dette er vitenskap i aksjon. Ett team forklarer et datapunkt, et annet gir grunner til at vi bør være forsiktige med det. Foreløpig ser det ut til at astrofysikere jeg snakket med lener seg bort fra at GW200129 er den første svarte hullet-binæren vi har sett. Men det er bare et spørsmål om tid før forskerne utvetydig ser dette fenomenet.

LIGO-, Jomfru- og Kagra-detektorene skal starte nok en observasjonskjøring, den fjerde, tidlig i 2023. I løpet av de siste to årene har detektorene fått betydelige oppgraderinger som vil gjøre dem mer følsomme, og åpne opp for muligheten for å oppdage enda mer svakhet. signaler fra hele kosmos. “Vi vil sannsynligvis observere 200 til 300 flere GW per år, så det er en god sjanse for at vi snart vil forstå disse systemene mye bedre!” sa Hannam.

Og med det kommer ytterligere utfordringer, spesielt rundt å sortere gjennom feilene og støyen.

“Ettersom det forventede antallet observasjoner kommer til å øke etter hvert som detektorene våre forbedres, vil antallet hendelser som er forurenset med feil skyte i været, og nøye arbeid vil være nødvendig for å modellere feilene,” sa Payne.