Science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Een nieuwe ruimtemissie kan natuurkundigen helpen harige vragen over zwarte gaten te beantwoorden

Een illustratie van een superzwaar zwart gat. Krediet:NASA/JPL

Natuurkundigen beschouwen zwarte gaten als een van de meest mysterieuze objecten die er bestaan. Ironisch genoeg worden ze ook als een van de eenvoudigste beschouwd. Natuurkundigen zoals ik proberen al jaren te bewijzen dat zwarte gaten complexer zijn dan ze lijken. En een onlangs goedgekeurde Europese ruimtemissie genaamd LISA zal ons helpen bij deze jacht.



Uit onderzoek uit de jaren zeventig blijkt dat je een zwart gat uitgebreid kunt beschrijven met behulp van slechts drie fysieke kenmerken:massa, lading en rotatie. Alle andere eigenschappen van deze massieve stervende sterren, zoals hun gedetailleerde samenstelling, dichtheid en temperatuurprofielen, verdwijnen als ze in een zwart gat veranderen. Zo eenvoudig zijn ze.

Het idee dat zwarte gaten slechts drie eigenschappen hebben, wordt de 'no-hair'-stelling genoemd, wat impliceert dat ze geen 'harige' details hebben die ze ingewikkeld maken.

Harige zwarte gaten?

Decennia lang hebben onderzoekers in de astrofysica-gemeenschap mazen in de wet of oplossingen binnen de aannames van de no-hair-stelling uitgebuit om potentiële harige zwarte gatenscenario's te bedenken. Een harig zwart gat heeft een fysieke eigenschap die wetenschappers in principe kunnen meten en die verder gaat dan zijn massa, lading of spin. Deze woning moet een permanent onderdeel zijn van de structuur.

Ongeveer tien jaar geleden toonde Stefanos Aretakis, een natuurkundige die momenteel aan de Universiteit van Toronto werkt, wiskundig aan dat een zwart gat dat de maximale lading bevat die het kan bevatten – een extreem geladen zwart gat genoemd – ‘haar’ aan zijn horizon zou ontwikkelen. De horizon van een zwart gat is de grens waar alles wat het overschrijdt, zelfs licht, niet kan ontsnappen.

Zwarte gaten zijn enorme, mysterieuze astronomische objecten.

De analyse van Aretakis was meer een gedachte-experiment waarbij gebruik werd gemaakt van een sterk vereenvoudigd natuurkundig scenario, dus het is niet iets dat wetenschappers verwachten astrofysisch waar te nemen. Maar supergeladen zwarte gaten zijn misschien niet het enige soort dat haar kan hebben.

Omdat het bekend is dat astrofysische objecten zoals sterren en planeten ronddraaien, verwachten wetenschappers dat zwarte gaten ook ronddraaien, afhankelijk van hoe ze ontstaan. Astronomisch bewijs heeft aangetoond dat zwarte gaten inderdaad spin hebben, hoewel onderzoekers niet weten wat de typische spinwaarde is voor een astrofysisch zwart gat.

Met behulp van computersimulaties heeft mijn team onlangs vergelijkbare soorten haar ontdekt in zwarte gaten die op maximale snelheid ronddraaien. Dit haar heeft te maken met de mate van verandering, of de gradiënt, van de kromming van de ruimte-tijd aan de horizon. We ontdekten ook dat een zwart gat niet echt maximaal hoeft te draaien om haar te hebben, wat belangrijk is omdat deze maximaal draaiende zwarte gaten waarschijnlijk niet in de natuur ontstaan.

Haar detecteren en meten

Mijn team wilde een manier ontwikkelen om dit haar mogelijk te meten – een nieuwe vaste eigenschap die een zwart gat zou kunnen karakteriseren buiten zijn massa, spin en lading. We zijn gaan onderzoeken hoe zo'n nieuwe eigenschap een handtekening zou kunnen achterlaten op een zwaartekrachtgolf die wordt uitgezonden door een snel ronddraaiend zwart gat.

Een zwaartekrachtgolf is een kleine verstoring in de ruimte-tijd die doorgaans wordt veroorzaakt door gewelddadige astrofysische gebeurtenissen in het universum. De botsingen van compacte astrofysische objecten zoals zwarte gaten en neutronensterren zenden sterke zwaartekrachtsgolven uit. Een internationaal netwerk van zwaartekrachtobservatoria, waaronder het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory in de Verenigde Staten, detecteert deze golven routinematig.

De LISA-ruimtevaartuigen observeren zwaartekrachtgolven van een verre bron terwijl ze in een baan om de zon draaien. Krediet:Simon Barke/Universiteit. Florida, CC DOOR

Onze recente studies suggereren dat je deze harige eigenschappen kunt meten aan de hand van zwaartekrachtgolfgegevens voor snel draaiende zwarte gaten. Kijken naar de zwaartekrachtsgolfgegevens biedt de mogelijkheid om een ​​soort signatuur te ontdekken die zou kunnen aangeven of het zwarte gat dit type haar heeft.

Onze lopende onderzoeken en de recente vooruitgang die Som Bishoyi, een student van het team, heeft geboekt, zijn gebaseerd op een mix van theoretische en computationele modellen van snel draaiende zwarte gaten. Onze bevindingen zijn nog niet in het veld getest of waargenomen in echte zwarte gaten in de ruimte. Maar we hopen dat daar snel verandering in komt.

LISA krijgt groen licht

In januari 2024 heeft de European Space Agency formeel de in de ruimte gestationeerde Laser Interferometer Space Antenna- of LISA-missie aangenomen. LISA zal op zoek gaan naar zwaartekrachtsgolven, en de gegevens van de missie kunnen mijn team helpen met onze harige vragen over zwarte gaten.

Formele goedkeuring betekent dat het project groen licht krijgt om naar de bouwfase te gaan, met een geplande lancering in 2035. LISA bestaat uit drie ruimtevaartuigen die in een perfecte gelijkzijdige driehoek zijn geconfigureerd en achter de aarde rond de zon zullen volgen. De ruimtevaartuigen zullen elk 2,5 miljoen kilometer van elkaar verwijderd zijn, en ze zullen laserstralen uitwisselen om de afstand tussen elkaar te meten tot op ongeveer een miljardste van een inch.

LISA zal zwaartekrachtsgolven detecteren van superzware zwarte gaten die miljoenen of zelfs miljarden keren massiever zijn dan onze zon. Het zal een kaart maken van de ruimte-tijd rond roterende zwarte gaten, waardoor natuurkundigen met een ongekend nauwkeurigheidsniveau kunnen begrijpen hoe de zwaartekracht werkt in de directe omgeving van zwarte gaten. Natuurkundigen hopen dat LISA ook alle harige eigenschappen van zwarte gaten kan meten.

Nu LIGO elke dag nieuwe waarnemingen doet en LISA een kijkje biedt in de ruimte-tijd rond zwarte gaten, is dit een van de meest opwindende tijden om natuurkundige van zwarte gaten te zijn.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe BRCA-genen werken
  2. The Differences Between Kinetochore & Nonkinetochore
  3. Studie:Grote witte haaien zwemmen steeds dieper
  4. Hoe is een Paramecium Digest Food?
  5. USDA verstrooiende rabiësvaccins voor dieren in het wild in 13 staten
  6. Wat is troebelheid en wat staat er in de microbiologie?
  7. Onderzoek bevestigt het:we worden echt dommer
  8. De effecten van temperatuur op enzymactiviteit en biologie
  9. Wilde vogels bezitten genetische aanleg om populatiespecifieke liedjes te leren, zo blijkt uit onderzoek

Wetenschap