Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica, Rochester Institute of Technology en het Perimeter Institute for Theoretical Physics hebben onlangs sterk numeriek bewijs verzameld voor een nieuw fenomeen dat plaatsvindt in het binnenste van binaire zwarte gaten. In hun studie hebben gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ze verzamelden waarnemingen die een opwindend nieuw inzicht zouden kunnen bieden in de samensmelting van marginaal buitenste ingesloten oppervlakken (MOTS's) in een binair zwart gat (BBH), een systeem dat bestaat uit twee zwarte gaten die dicht om elkaar heen draaien.

"Het is een ondergewaardeerd feit dat gebeurtenishorizonnen niet echt nuttig zijn voor het bestuderen van astrofysische eigenschappen van samensmeltingen van zwarte gaten, " vertelden de onderzoekers Phys.org via e-mail. "Wat veel nuttiger is, zijn oppervlakken die onder de saaie naam van marginaal buitenste ingesloten oppervlakken gaan (marginale oppervlakken of kortweg MOTS). Deze oninteressante naam verbergt hun belang bij het begrijpen van zwarte gaten."

In de afgelopen 15 tot 20 jaar, twee van de auteurs van het recente artikel, Badri Krishnan en Erik Schnetter, hebben manieren ontwikkeld om marginale oppervlakken te gebruiken om te berekenen, onder andere, zwart gat massa en impulsmoment. Ondanks hun prestaties op dit gebied, ze konden een belangrijke vraag niet beantwoorden:smelten MOTS'en samen in een BBH-coalescentie, en als het zo is, hoe, precies?

De onderzoekers wilden graag meer weten over deze fusie, evenals om eventuele interessante topologische kenmerken te onthullen die erin verborgen kunnen zijn. Daniel Pook-Kolb, een andere auteur van het papier en een Ph.D. student aan het Max Planck Instituut, besloot daarom dit onderwerp verder te onderzoeken in zijn proefschrift.

"Om de fusie te begrijpen, we moeten zeer sterk vervormde marginale oppervlakken lokaliseren, een numeriek uitdagende taak die alle eerdere studies versloeg, " zeiden de onderzoekers. "We ontwikkelden een nieuwe numerieke techniek voor deze taak en kwamen steeds dichter bij het fusiepunt. Nog altijd, zelfs onze methoden werken niet extreem dicht bij de fusie, waar oppervlakken met knobbels verschijnen."

Omdat de onderzoekers niet het inzicht konden krijgen waarnaar ze in hun eerdere onderzoeken zochten, ze bleven zoeken naar verschillende routes om de fusie van MOTS'en in een BBH-systeem te onderzoeken. Eventueel, Schnetter kwam met een nieuw idee om dit onderwerp te benaderen, waarbij werd gezocht naar oppervlakken met elkaar kruisende lussen.

Toen hij dit voorstelde aan de rest van het team, Krishnan was enigszins sceptisch, aangezien geen eerdere literatuur dit idee eerder had onderzocht, maar Pook-Kolb besloot het toch te onderzoeken en op zoek te gaan naar dergelijke oppervlakken. Uiteindelijk bleek dat dergelijke topologische kenmerken bestaan, en dat ze dat konden, in feite, generieke kenmerken zijn van fusies van zwarte gaten.

Eigenlijk, de onderzoekers simuleerden de frontale botsing van twee niet-spinnende zwarte gaten met ongelijke massa's. In deze simulaties ze merkten op dat de MOTS geassocieerd met het uiteindelijke zwarte gat als gevolg van een BBH-fusie zich verenigt met de twee aanvankelijk onsamenhangende oppervlakken die overeenkomen met de twee initiële zwarte gaten in het systeem.

Dit resulteert in een samenhangende reeks MOTS'en die interpoleren tussen de begin- en eindtoestand van de BBH, totdat de fusie tussen de twee zwarte gaten uiteindelijk plaatsvindt. uiteindelijk, hun bevindingen benadrukken een verandering in de topologie in de samenvoeging van marginale oppervlakken.

De waarnemingen die in hun simulaties zijn verzameld, duiden ook op het bestaan ​​van een MOTS met zelfkruisingen die onmiddellijk na de fusie wordt gevormd. De onderzoekers, echter, verwachten dat nog een van hun bevindingen veel grotere implicaties zal hebben voor toekomstige waarnemingen van zwaartekrachtgolven.

"Omdat we nu een opeenvolging van marginale oppervlakken hebben die ons van de twee aanvankelijk onsamenhangende zwarte gaten naar de laatste brengen, we kunnen in detail berekenen hoe fysieke hoeveelheden zwarte gaten zich gedragen tijdens de fusie, " zeiden de onderzoekers. "Het zou vooral interessant zijn om vergelijkbare kenmerken te vinden in de waargenomen zwaartekrachtgolfsignalen:we kunnen dan met recht beweren dat we observationeel begrijpen wat er gebeurt in een gebeurtenishorizon van een zwart gat."

Het numerieke bewijs verzameld door Pook-Kolb, Schnetter, Krishnan en hun collega Ofek Birnholtz bieden fascinerende nieuwe inzichten over BBH-fusies. In de toekomst, hun observaties kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe studies, inclusief pogingen om de Penrose-ongelijkheid wiskundig te bewijzen voor generieke astrofysische BBH-configuraties.

De onderzoekers zijn nu van plan om hun idee te generaliseren naar andere fusies van zwarte gaten, zoals waargenomen door de LIGO-samenwerking. Dit zou de theorie die ze bedachten bruikbaar kunnen maken voor een veel grotere onderzoeksgemeenschap.

"Er wordt gewerkt aan de veralgemening van ons idee naar generieke fusies, en de eerste resultaten die voortbouwen op dezelfde theorie komen nu naar voren, " zeiden de onderzoekers. "We zijn buitengewoon opgewonden om te zien wat ons te wachten staat in simulaties van volledig algemeen realistische fusies!"

© 2019 Wetenschap X Netwerk