V roce 2017 zazněla na Zemi gravitační vlna jako jasný tón zvonku. Napínal a kvílel každého člověka, mravence a vědeckého nástroje na planetě, když procházel naší oblastí vesmíru. Nyní se vědci vrátili a studovali tu vlnu a našli v ní skrytá data - data, která pomáhají potvrdit desetiletý astrofyzikální nápad.
Tato vlna v roce 2017 byla velká věc: Poprvé měli astronomové nástroj, který jej mohl detekovat a zaznamenávat, jak prošel, známý jako laserová interferometrová gravitační vlnová observatoř (LIGO). Tato první vlna byla, jak zjistili, výsledkem dvou černých děr, které spolu narážely daleko ve vesmíru. A nyní se tým astrofyziků znovu podíval na nahrávku a zjistil, že něco, o čem by si jiní mysleli, že by odkrývalo desetiletí: přesné potvrzení „věty bez vlasů“. Tento zásadní aspekt teorie černé díry sahá nejméně do sedmdesátých let - věta, kterou Stephen Hawking skvěle pochyboval.
Když fyzici říkají, že černé díry nemají „vlasy“, řekl Maximiliano Isi, fyzik na MIT a hlavní autor článku, znamená to, že astrofyzikální objekty jsou velmi jednoduché. Černé díry se od sebe liší jen třemi způsoby: rychlost rotace, hmotnost a elektrický náboj. A v reálném světě se černé díry pravděpodobně příliš neliší v elektrickém náboji, takže se opravdu liší pouze co do hmotnosti a rotace. Fyzici nazývají tyto holohlavé předměty „Kerrovy černé díry“.
Tato bezsrstost způsobuje, že černé díry se velmi liší od téměř všech ostatních objektů ve vesmíru, řekla Isi Live Science. Když například zazvoní skutečný zvon, vydává zvukové vlny a některé nezjistitelné, neuvěřitelně slabé gravitační vlny. Ale je to mnohem komplikovanější objekt. Zvonek je vyroben například z materiálu (možná bronz nebo litina), zatímco podle modelu bez vlasů jsou černé díry stejnoměrné zvláštnosti. Každý zvon má také poněkud jedinečný tvar, zatímco černé díry jsou všechny nekonečně velké, bezrozměrné body v prostoru obklopené sférickými horizonty událostí. Všechny tyto vlastnosti zvonu lze detekovat ve zvuku, který zvonek vytváří - alespoň pokud víte něco o zvoncích a zvukových vlnách. Pokud dokážete nějakým způsobem vycítit gravitační vlny zvonu, odhalili byste také rozdíly ve složení a tvaru zvonů v nich, řekla Isi.
"Tajemství celého tohoto podnikání je, že tvar vlny - vzor tohoto protahování a mačkání - kóduje informace o zdroji, o věci, která tuto gravitační vlnu vytvořila," řekl pro Live Science.
A astronomové studující vlnu 2017 se dozvěděli hodně o kolizi černé díry, která ji způsobila, řekla Isi.
Nahrávka však byla slabá a ne příliš podrobná. LIGO, nejlepší detektor gravitačních vln na světě, použil laser k měření vzdáleností mezi zrcadly uspořádanými ve vzdálenosti 2,5 km (4 km) ve tvaru L ve státě Washington. (Virgo, podobný detektor, také zachytil vlnu v Itálii.) Když se vlna převalila nad LIGO, deformovala sama sebe časoprostor a tuto vzdálenost vždy mírně změnila. Ale podrobnosti této gravitační vlny nebyly tak intenzivní, aby detektory zaznamenaly, řekla Isi.
„Ale je to, jako bychom poslouchali z velké vzdálenosti,“ řekla Isi.
V té době tato vlna nabídla spoustu informací. Černá díra se chovala podle očekávání. Neexistoval žádný zřejmý důkaz, že by postrádal horizont událostí (oblast, za níž nemůže světlo uniknout) a že se dramaticky neodchýlila od teorémy bez vlasů, řekla Isi.
Ale vědci si nemohli být jisti mnoha z těchto bodů, zejména teorémem bez vlasů. Nejjednodušší část křivky ke studiu, řekla Isi, přišla poté, co se dvě černé díry sloučily do jedné větší černé díry. Chvíli zazvonil, podobně jako udeřený zvon, poslal svou nadbytečnou energii do vesmíru jako gravitační vlny - to, co astrofyzici nazývají procesem „zvonění“.
V té době vědci, kteří se dívali na data LIGO, zahlédli při zvonění jen jeden průběh. Vědci si mysleli, že bude trvat desetiletí, než se vyvinou nástroje, které jsou dostatečně citlivé na to, aby zachytily případné tišší podtóny při zvonění. Jeden z Isiiných kolegů, Matt Giesler, fyzik z Kalifornského technologického institutu, však přišel na to, že těsně po srážce bylo krátké období, kdy bylo potlačení dostatečně intenzivní, aby LIGO zaznamenalo více detailů než obvykle. A v těch chvílích byla vlna dostatečně hlasitá, aby LIGO zachytil podtón - druhou vlnu na jiné frekvenci, podobně jako slabé sekundární tóny, které jsou přenášeny ve zvuku zasaženého zvonku.
V hudebních nástrojích obsahují podtóny většinu informací, které dávají nástrojům jejich charakteristické zvuky. Totéž platí o podtextech gravitační vlny, řekl. A toto nově odkryté podtón značně objasnilo údaje o zvonící černé díře, řekla Isi.
Ukázalo se, že černá díra byla alespoň velmi blízko Kerrově černé díře. Věta bez vlasů může být použita k předpovídání toho, jak bude vypadat podtón; Isi a jeho tým ukázali, že tento tón do značné míry odpovídal této predikci. Záznam podtónu však nebyl příliš jasný, takže je stále možné, že tón byl poněkud odlišný - asi o 10% - od toho, co by věta předpověděla…
Chcete-li překročit tuto úroveň přesnosti, řekl, musíte získat jasnější podtón z tvaru vlny kolize černé díry nebo postavit citlivější nástroj než LIGO, řekla Isi.
„Fyzika je o přibližování a přibližování,“ řekla Isi. "Ale nikdy si nemůžeš být jistý."
Je dokonce možné, že signál z podtónu není skutečný, ale došlo k němu náhodou v důsledku náhodných výkyvů dat. Ohlásili "důvěru 3,6" v existenci podtónu. To znamená, že existuje asi 1 300 000 šancí, že podtón není skutečným signálem z černé díry.
Jak se nástroje zlepšují a objevují se gravitační vlny, všechna tato čísla by měla být sebevědomější a přesnější, uvedla Isi. LIGO již prošlo aktualizacemi, díky kterým bylo detekování kolizí černé díry poměrně rutinní. Další upgrade, plánovaný na polovinu roku 2020, by měl podle Physics World zvýšit jeho citlivost desetkrát. Jakmile bude vesmírná laserová interferometrická kosmická anténa (LISA) spuštěna v polovině 30. let, měli by být astronomové schopni potvrdit bezsrstost černých děr na stupně jistoty dnes nemožné.
Isi však řekl, že je vždy možné, že černé díry nejsou úplně holohlavé - mohou mít nějaké kvantové broskvové chmýří, které je jednoduché, příliš měkké a krátké na to, aby naše nástroje vyzvedly.
