Kara delikler, uzayda yerçekiminin o kadar güçlü olduğu ve hiçbir şeyin, hatta ışığın bile çekimlerinden kaçamayacağı bölgelerdir. Kendi içlerine çöken büyük kütleli yıldızların kalıntılarından oluşurlar.
Yeni bir analiz, yerçekimi dalgalarında bulunan “doğrusal olmayan” etkilerin varlığını ortaya çıkardı.
İkisi karadelikler birleşerek daha büyük bir karadelik oluştururlar, uzay-zamanın dokusunda şiddetli bozulmalar yaratarak dışarıya doğru yayılan yerçekimi dalgaları üretirler. Kara delik birleşmeleri üzerine önceki araştırmalar, birbirleriyle etkileşime girmediklerini varsayarak bu dalgaların davranışını modellemek için doğrusal matematiğe dayanıyordu. Ancak yakın tarihli bir analiz, bu çarpışmaları daha derinden inceleyerek yerçekimi dalgalarının davranışındaki doğrusal olmayan etkileri ortaya çıkardı.
“Doğrusal olmayan etkiler, dalgalar sahil tepesine çıkıp çarptığında meydana gelir” diyor Caltech mezunu Keefe Mitman Cornell Üniversitesi’nde ortak bir randevu ile Caltech’te Teorik Astrofizik Robinson Profesörü Saul Teukolsky (PhD ’74) ile çalışan öğrenci. “Dalgalar, kendi başlarına ilerlemek yerine birbirlerini etkiler ve etkiler. Kara delik birleşmesi gibi şiddetli bir şeyle, bu etkileri bekliyorduk ama şimdiye kadar modellerimizde görmemiştik. Simülasyonlarımızdan dalga formlarını çıkarmaya yönelik yeni yöntemler, doğrusal olmama durumlarını görmeyi mümkün kıldı.”
Fiziksel İnceleme Mektupları dergisinde yayınlanan araştırma, Caltech, Columbia Üniversitesi, University of Caltech’teki bir araştırma ekibinden geldi. Mississippi, Cornell University ve Max Planck Institute for Gravitational Physics.
Caltech yüksek lisans öğrencisi Keefe Mitman, karadelik çarpışmalarının doğrusal olmayan yerçekimi etkileri içeren yeni bir matematiksel modelini açıklıyor. fenomeni, iki kişinin bir trambolinde çılgınca zıpladığında olanlara benzetiyor. Kredi: Caltech
Gelecekte, yeni model, 2015’te tarih yazdığından beri LIGO (Lazer Interferometer Gravitational-wave Observatory) tarafından rutin olarak gözlemlenen gerçek kara delik çarpışmaları hakkında daha fazla bilgi edinmek için kullanılabilir. yerçekimi dalgalarının uzaydan ilk doğrudan tespiti ile. LIGO, dedektörleri yerçekimi dalgalarına karşı eskisinden çok daha hassas hale getirecek bir dizi yükseltme aldıktan sonra bu yıl içinde tekrar açılacak.
Mitman ve meslektaşları, Simulating eXtreme Spacetimes işbirliği adlı bir ekibin parçası. veya SXS. Teukolsky tarafından Nobel Ödülü Sahibi Kip Thorne (BS ’62), Richard P. Feynman Caltech’te Emeritus Teorik Fizik Profesörü ile işbirliği içinde kurulan SXS projesi, kara delik birleşmelerini simüle etmek için süper bilgisayarlar kullanıyor. Süper bilgisayarlar, Albert Einstein’ın genel görelilik teorisinin denklemlerini kullanarak karadeliklerin spiral çizerek ve birleşerek nasıl geliştiğini modelliyor. Aslında Teukolsky, iki devasa cisim birleştikten hemen sonra meydana gelen kara delik çarpışmasının “halka aşağı” aşamasını modellemek için bu görelilik denklemlerini nasıl kullanacağını anlayan ilk kişiydi.
“Süper bilgisayarların Teukolsky, tüm sinyalin doğru bir şekilde hesaplanmasını gerçekleştirin: yörüngede dönen iki kara deliğin ilhamı, bunların birleşmesi ve tek bir durgun kalan kara deliğe oturması, ”diyor Teukolsky. “Yerleşme aşamasının doğrusal olarak ele alınması, bir süre önce Kip ile yaptığım doktora tezimin konusuydu. Bu aşamanın yeni doğrusal olmayan tedavisi, dalgaların daha doğru modellenmesine ve nihayetinde genel göreliliğin aslında kara delikler için doğru yerçekimi teorisi olup olmadığına dair yeni testlere olanak tanıyacak.”
SXS simülasyonlarının yararlı olduğu kanıtlanmıştır. LIGO tarafından şimdiye kadar tespit edilen yaklaşık 100 kara delik çarpışmasının tanımlanması ve karakterize edilmesinde. Bu yeni çalışma, ekibin ring down aşamasının simülasyonlarında doğrusal olmayan etkileri ilk kez belirlediğini temsil ediyor.
“Bir trambolinde iki kişi olduğunu hayal edin,” diyor Mitman. “Yavaşça zıplarlarsa, diğer kişiyi bu kadar etkilememeleri gerekir. Bir teorinin doğrusal olduğunu söylediğimizde olan budur. Ancak bir kişi daha fazla enerjiyle zıplamaya başlarsa, trambolin bozulacak ve diğer kişi etkisini hissetmeye başlayacak. Doğrusal olmayan derken kastettiğimiz bu: Trambolin üzerindeki iki kişi, diğer kişinin varlığı ve etkisi nedeniyle yeni salınımlar yaşıyor.”
Yerçekimi açısından bu, simülasyonların yeni dalga türleri ürettiği anlamına gelir. Mitman, “Büyük dalgaların altında daha derine inerseniz, benzersiz bir frekansa sahip ek bir yeni dalga bulacaksınız” diyor.
Büyük resimde, bu yeni simülasyonlar, araştırmacıların gelecekteki kara delik çarpışmalarını daha iyi karakterize etmelerine yardımcı olacak. LIGO tarafından gözlemlendi ve Einstein’ın genel görelilik teorisini daha iyi test etti.
Columbia Üniversitesi’nden ortak yazar Macarena Lagos şöyle diyor: “Bu, bizi yerçekimi dalgası tespitinin bir sonraki aşamasına hazırlamak için büyük bir adım. kozmosun uzak noktalarında meydana gelen bu inanılmaz olaylardaki yerçekimi anlayışımızı derinleştirin.”
Referans: “Nonlinearities in Black Hole Ringdowns” yazan Keefe Mitman, Macarena Lagos, Leo C. Stein, Sizheng Ma, Lam Hui, Yanbei Chen, Nils Deppe, François Hébert, Lawrence E. Kidder, Jordan Moxon, Mark A. Scheel, Saul A. Teukolsky, William Throwe ve Nils L. Vu, 22 Şubat 2023, Physical Review Letters.
{ 12}DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.081402
Çalışma, Sherman Fairchild tarafından finanse edildi Vakfı, Ulusal Bilim Vakfı, Columbia Üniversitesi’nin Yenilikçi Teorik Kozmoloji Bursu, Enerji Bakanlığı ve Simons Vakfı.