Als twee zwarte gaten botsen, ze versmelten tot één groter zwart gat en luiden als een geslagen bel, het uitzenden van rimpelingen in ruimte en tijd die zwaartekrachtsgolven worden genoemd. In deze zwaartekrachtsgolven zijn specifieke frequenties ingebed, of tonen, die verwant zijn aan individuele noten in een muzikaal akkoord.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben voor het eerst twee van dergelijke tonen gedetecteerd in de "ringdown" van een nieuw gevormd zwart gat. Eerder, aangenomen werd dat slechts één enkele toon kon worden gemeten en dat bijkomende tonen, boventonen genoemd, zou te zwak zijn om te worden gedetecteerd met de huidige technologieën.

"Voordat, het was alsof je het geluid van een akkoord van een gitaar probeerde te matchen met slechts een enkele snaar, " zegt Matthew Giesler, een afgestudeerde student aan Caltech en tweede auteur van een nieuwe studie waarin de resultaten worden beschreven in het nummer van 12 september van: Fysieke beoordelingsbrieven . Giesler is hoofdauteur van een gerelateerd artikel dat is ingediend bij Physical Review X over de techniek die wordt gebruikt om de boventonen te vinden.

De resultaten, die waren gebaseerd op het opnieuw analyseren van gegevens die zijn vastgelegd door de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) van de National Science Foundation, hebben de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein aan een nieuw soort test onderworpen. Omdat samenvoegende zwarte gaten verpletterende zwaartekracht ervaren, studies van deze gebeurtenissen stellen onderzoekers in staat om de algemene relativiteitstheorie onder extreme omstandigheden te testen. In dit specifieke geval, de onderzoekers testten een specifieke voorspelling van de algemene relativiteitstheorie:dat zwarte gaten volledig kunnen worden beschreven door alleen hun massa en snelheid van spin. Nogmaals, Einstein slaagde voor de test.

"Dit soort testen was al lang voor de eerste detectie voorgesteld, maar iedereen verwachtte dat het vele jaren zou moeten wachten voordat detectoren gevoelig genoeg zouden zijn, " zegt Saul Teukolsky (Ph.D. '73), de Robinson hoogleraar theoretische astrofysica aan Caltech en adviseur van Giesler. "Dit resultaat laat zien dat we de test al kunnen uitvoeren met de huidige detectoren door de boventonen op te nemen, een onverwacht en spannend resultaat."

LIGO schreef geschiedenis in 2015 toen het de allereerste directe detectie van zwaartekrachtsgolven maakte. 100 jaar nadat Einstein ze voor het eerst voorspelde. Vanaf dat moment, LIGO en zijn in Europa gevestigde partnerobservatorium, Maagd, hebben bijna 30 zwaartekrachtgolfgebeurtenissen gedetecteerd, die verder worden geanalyseerd. Veel van deze zwaartekrachtsgolven ontstonden toen twee zwarte gaten op elkaar botsten, trillingen door de ruimte sturen.

"Een nieuw zwart gat vormt zich uit een gewelddadig astrofysisch proces en bevindt zich dus in een geagiteerde toestand, " zegt Maximiliano (Max) Isi (Ph.D. '18), hoofdauteur van de Fysieke beoordelingsbrieven studie, nu bij MIT. "Echter, het werpt deze overtollige energie snel af in de vorm van zwaartekrachtgolven."

Als onderdeel van Giesler's afstudeerwerk, hij begon te onderzoeken of boventonen konden worden gedetecteerd in de huidige zwaartekrachtgolfgegevens naast het hoofdsignaal, of toon, hoewel de meeste wetenschappers geloofden dat deze boventonen te zwak waren. Hij keek specifiek naar simulaties van LIGO's eerste detectie van zwaartekrachtsgolven, van een samensmelting van een zwart gat dat bekend staat als GW150914.

Tijdens de eindfase van de fusie een periode die bekend staat als de ringdown, het nieuw samengevoegde zwarte gat trilt nog steeds. Giesler ontdekte dat de boventonen, die luid maar van korte duur zijn, zijn in een eerdere fase van de ringdown aanwezig dan voorheen was gerealiseerd.

"Dit was een zeer verrassend resultaat. De conventionele wijsheid was dat tegen de tijd dat het overgebleven zwarte gat was neergedaald, zodat eventuele tonen konden worden gedetecteerd, de boventonen zouden bijna volledig zijn vergaan, " zegt Teukolsky, die ook hoogleraar natuurkunde is aan de Cornell University. "In plaats daarvan, het blijkt dat de boventonen detecteerbaar zijn voordat de hoofdtoon zichtbaar wordt."

De nieuw ontdekte boventonen hielpen de onderzoekers om de "geen haar"-stelling voor zwarte gaten te testen - het idee dat er geen andere kenmerken zijn, of "haren, " nodig om een ​​ander zwart gat dan massa of spin te definiëren. De nieuwe resultaten bevestigen dat de zwarte gaten geen haren hebben, maar wetenschappers vermoeden dat toekomstige tests van de theorie, waarin nog gedetailleerdere waarnemingen worden gebruikt om samensmeltingen van zwarte gaten te onderzoeken, kan anders blijken.

"Einsteins theorie kan instorten als er kwantumeffecten in het spel zijn, ’ zegt Gisler.

"Newtons zwaartekrachttheorie doorstaat vele tests waarbij de zwaartekracht zwak is, maar faalt volledig als het gaat om het beschrijven van de zwaartekracht in zijn meest extreme vorm, zoals wanneer het gaat om het beschrijven van samensmeltende zwarte gaten. evenzo, terwijl we uiteindelijk het signaal van zwarte gaten met toenemende nauwkeurigheid onderzoeken, het is mogelijk dat zelfs de algemene relativiteitstheorie op een dag de test zou mislukken."

In de komende jaren, geplande upgrades naar LIGO en Virgo zullen de observatoria nog gevoeliger maken voor zwaartekrachtsgolven, onthullende meer verborgen tonen.

"Hoe groter en luider een evenement, hoe groter de kans dat LIGO deze boventonen kan oppikken, " zegt Alan Weinstein, hoogleraar natuurkunde aan Caltech en lid van het LIGO-laboratorium, die niet bij dit onderzoek betrokken is. "Met LIGO's eerste detectie van zwaartekrachtsgolven, we bevestigden voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. Nutsvoorzieningen, door te zoeken naar boventonen, en zelfs zwakkere signalen die hogere-orde-modi worden genoemd, we zoeken naar diepere testen van de theorie, en zelfs mogelijk bewijs dat de theorie instort."

zegt Isi, "Beetje bij beetje, zwarte gaten zullen hun mysteries kwijtraken, een revolutie teweegbrengen in ons begrip van zwaartekracht, ruimte, en tijd."