Als de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein waar is, dan een zwart gat, geboren uit de kosmisch bevende botsingen van twee massieve zwarte gaten, zou zelf moeten "rinkelen" in de nasleep, het produceren van zwaartekrachtsgolven net zoals een geslagen bel geluidsgolven weerkaatst. Einstein voorspelde dat de specifieke toonhoogte en het verval van deze zwaartekrachtsgolven een directe handtekening zouden zijn van de massa en spin van het nieuw gevormde zwarte gat.

Nutsvoorzieningen, natuurkundigen van het MIT en elders hebben voor het eerst het rinkelen van een baby zwart gat "gehoord", en ontdekte dat het patroon van dit rinkelen doet, in feite, de massa en spin van het zwarte gat voorspellen - meer bewijs dat Einstein al die tijd gelijk had.

De bevindingen, vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ook voorstander van het idee dat zwarte gaten elk soort "haar" missen - een metafoor die verwijst naar het idee dat zwarte gaten, volgens de theorie van Einstein, zou slechts drie waarneembare eigenschappen moeten vertonen:massa, draaien, en elektrische lading. Alle andere kenmerken, die de natuurkundige John Wheeler "haar, " zou moeten worden opgeslokt door het zwarte gat zelf, en zou daarom onwaarneembaar zijn.

De bevindingen van het team vandaag ondersteunen het idee dat zwarte gaten, in feite, haarloos. De onderzoekers waren in staat om het patroon van het rinkelen van een zwart gat te identificeren, en, met behulp van de vergelijkingen van Einstein, berekende de massa en spin die het zwarte gat zou moeten hebben, gezien het belpatroon. Deze berekeningen kwamen overeen met metingen van de massa en spin van het zwarte gat die eerder door anderen waren gedaan.

Als de berekeningen van het team significant afweken van de metingen, het zou hebben gesuggereerd dat het rinkelen van het zwarte gat andere eigenschappen dan massa codeert, draaien, en elektrische lading - verleidelijk bewijs van natuurkunde dat verder gaat dan wat de theorie van Einstein kan verklaren. Maar zoals blijkt, het belpatroon van het zwarte gat is een directe handtekening van zijn massa en spin, ter ondersteuning van het idee dat zwarte gaten reuzen met kale gezichten zijn, zonder enige vreemde, haarachtige eigenschappen.

"We verwachten allemaal dat de algemene relativiteitstheorie correct is, maar dit is de eerste keer dat we het op deze manier hebben bevestigd, " zegt de hoofdauteur van de studie, Maximiliaan Isi, een NASA Einstein Fellow in het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Dit is de eerste experimentele meting die erin slaagt om de stelling zonder haar direct te testen. Het betekent niet dat zwarte gaten geen haar kunnen hebben. Het betekent dat het beeld van zwarte gaten zonder haar nog een dag langer meegaat."

Een tjilp, gedecodeerd

Op 9 september 2015, wetenschappers maakten de allereerste detectie van zwaartekrachtsgolven - oneindig kleine rimpelingen in de ruimte-tijd, afkomstig van ver, gewelddadige kosmische verschijnselen. De detectie, genaamd GW150914, is gemaakt door LIGO, de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory. Toen wetenschappers de ruis hadden weggevaagd en inzoomden op het signaal, ze observeerden een golfvorm die snel opliep voordat hij vervaagde. Toen ze het signaal in geluid vertaalden, ze hoorden iets dat op een 'piep' leek.

Wetenschappers hebben vastgesteld dat de zwaartekrachtsgolven werden veroorzaakt door de snelle inspiratie van twee massieve zwarte gaten. De piek van het signaal - het luidste deel van het getjilp - gekoppeld aan het moment waarop de zwarte gaten botsten, samensmelten tot één, nieuw zwart gat. Hoewel dit jonge zwarte gat waarschijnlijk zelf zwaartekrachtgolven afgeeft, zijn handtekening rinkelt, natuurkundigen veronderstelden, te zwak zou zijn om te ontcijferen te midden van het lawaai van de eerste botsing.

Isi en zijn collega's, echter, een manier gevonden om de galm van het zwarte gat te extraheren uit de momenten direct na de piek van het signaal. In eerder werk onder leiding van Isi's co-auteur, Matthew Giesler, liet het team door middel van simulaties zien dat een dergelijk signaal, en vooral het gedeelte direct na de piek, bevat "boventonen" - een familie van luide, kortstondige tonen. Toen ze het signaal opnieuw analyseerden, rekening houdend met boventonen, de onderzoekers ontdekten dat ze met succes een belpatroon konden isoleren dat specifiek was voor een nieuw gevormd zwart gat.

In de nieuwe krant van het team, de onderzoekers pasten deze techniek toe op feitelijke gegevens van de GW150914-detectie, concentreren op de laatste paar milliseconden van het signaal, onmiddellijk na de piek van de chirp. Rekening houdend met de boventonen van het signaal, ze konden een rinkelen horen dat van het nieuwe kwam, zuigeling zwart gat. specifiek, ze identificeerden twee verschillende tonen, elk met een toonhoogte en vervalsnelheid die ze konden meten.

"We detecteren een algemeen zwaartekrachtgolfsignaal dat uit meerdere frequenties bestaat, die in verschillende snelheden vervagen, zoals de verschillende toonhoogtes waaruit een geluid bestaat, ', zegt Isi. 'Elke frequentie of toon komt overeen met een trillingsfrequentie van het nieuwe zwarte gat.'

Luisteren voorbij Einstein

Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat de toonhoogte en het verval van de zwaartekrachtsgolven van een zwart gat een direct product moeten zijn van zijn massa en spin. Dat is, een zwart gat met een bepaalde massa en spin kan alleen tonen produceren met een bepaalde toonhoogte en verval. Als een test van de theorie van Einstein, het team gebruikte de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie om de massa en spin van het nieuw gevormde zwarte gat te berekenen, gezien de toonhoogte en het verval van de twee tonen die ze ontdekten.

Ze ontdekten dat hun berekeningen overeenkwamen met metingen van de massa en spin van het zwarte gat die eerder door anderen waren gedaan. Isi zegt dat de resultaten aantonen dat onderzoekers kunnen, in feite, gebruik de aller luidste, de meest detecteerbare delen van een zwaartekrachtgolfsignaal om het rinkelen van een nieuw zwart gat te onderscheiden, waar vroeger, wetenschappers gingen ervan uit dat dit rinkelen alleen kon worden gedetecteerd binnen het veel zwakkere uiteinde van het zwaartekrachtgolfsignaal, en alleen met veel gevoeligere instrumenten dan de huidige.

"Dit is opwindend voor de gemeenschap omdat het laat zien dat dit soort onderzoeken nu mogelijk zijn, niet in 20 jaar, "zegt Isi.

Naarmate LIGO zijn resolutie verbetert, en in de toekomst komen er meer gevoelige instrumenten online, onderzoekers zullen de methoden van de groep kunnen gebruiken om het rinkelen van andere pas geboren zwarte gaten te "horen". En als ze tonen oppikken die niet helemaal overeenkomen met Einsteins voorspellingen, dat zou een nog spannender vooruitzicht kunnen zijn.

"In de toekomst, we hebben betere detectoren op aarde en in de ruimte, en zal niet slechts twee kunnen zien, maar tientallen modi, en hun eigenschappen nauwkeurig vastleggen, ', zegt Isi. 'Als dit geen zwarte gaten zijn zoals Einstein voorspelt, als het meer exotische objecten zijn zoals wormgaten of bosonsterren, ze mogen niet op dezelfde manier rinkelen, en we hebben een kans om ze te zien."