Kleine modelleringsfouten kunnen zich sneller ophopen dan eerder werd verwacht wanneer natuurkundigen meerdere zwaartekrachtgolfgebeurtenissen (zoals botsende zwarte gaten) combineren om de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein te testen. suggereren onderzoekers van de Universiteit van Birmingham in het Verenigd Koninkrijk. De bevindingen, gepubliceerd op 16 juni in het tijdschrift iScience , suggereren dat catalogi met slechts 10 tot 30 gebeurtenissen met een signaal-tot-achtergrondruisverhouding van 20 (wat typisch is voor gebeurtenissen die in dit type test worden gebruikt) misleidende afwijkingen van de algemene relativiteitstheorie kunnen opleveren, ten onrechte wijzend op nieuwe fysica waar die niet bestaat. Omdat dit de omvang benadert van de huidige catalogi die worden gebruikt om de theorie van Einstein te beoordelen, de auteurs concluderen dat natuurkundigen voorzichtig moeten zijn bij het uitvoeren van dergelijke experimenten.

"Het testen van de algemene relativiteitstheorie met catalogi van zwaartekrachtgolfgebeurtenissen is een heel nieuw onderzoeksgebied, " zegt Christopher J. Moore, een docent aan de School of Physics and Astronomy &Institute for Gravitational Wave Astronomy aan de Universiteit van Birmingham in het Verenigd Koninkrijk en de hoofdauteur van de studie. "Dit is een van de eerste onderzoeken waarin in detail wordt gekeken naar het belang van theoretische modelfouten in dit nieuwe type test. Hoewel het algemeen bekend is dat fouten in theoretische modellen zorgvuldig moeten worden behandeld wanneer u een theorie probeert te testen, we waren verrast door hoe snel kleine modelfouten zich kunnen ophopen als je gebeurtenissen gaat combineren in catalogi."

1916, Einstein publiceerde zijn algemene relativiteitstheorie, wat verklaart hoe massieve hemellichamen het onderling verbonden weefsel van ruimte en tijd vervormen, met zwaartekracht tot gevolg. De theorie voorspelt dat gewelddadige incidenten in de ruimte, zoals botsingen met zwarte gaten, de ruimte-tijd zo ernstig verstoren dat ze rimpelingen produceren die zwaartekrachtgolven worden genoemd. die met de snelheid van het licht door de ruimte zoemen. Instrumenten zoals LIGO en Virgo hebben nu zwaartekrachtsgolfsignalen gedetecteerd van tientallen samensmeltende zwarte gaten, die onderzoekers hebben gebruikt om de theorie van Einstein op de proef te stellen. Tot dusver, het is altijd voorbijgegaan. Om de theorie nog verder te pushen, natuurkundigen testen het nu op catalogi van meerdere gegroepeerde zwaartekrachtgolfgebeurtenissen.

"Toen ik geïnteresseerd raakte in onderzoek naar zwaartekrachtgolven, een van de belangrijkste attracties was de mogelijkheid om nieuwe en strengere tests van de algemene relativiteitstheorie uit te voeren, " zegt Riccardo Buscicchio, een doctoraat student aan de School of Physics and Astronomy &Institute for Gravitational Wave Astronomy en co-auteur van de studie. "De theorie is fantastisch en heeft al een enorm indrukwekkende reeks andere tests doorstaan. Maar we weten uit andere gebieden van de natuurkunde dat het niet helemaal correct kan zijn. Proberen te vinden waar het precies faalt, is een van de belangrijkste vragen in de natuurkunde ."

Echter, terwijl grotere zwaartekrachtsgolfcatalogi wetenschappers in de nabije toekomst dichter bij het antwoord zouden kunnen brengen, ze vergroten ook de kans op fouten. Aangezien golfvormmodellen onvermijdelijk enkele benaderingen met zich meebrengen, vereenvoudigingen, en modelleringsfouten, modellen met een hoge mate van nauwkeurigheid voor individuele gebeurtenissen kunnen misleidend zijn wanneer ze worden toegepast op grote catalogi.

Om te bepalen hoe golfvormfouten groeien naarmate de catalogus groter wordt, Moore en collega's gebruikten vereenvoudigde, gelineariseerde mock-catalogi om grote aantallen testberekeningen uit te voeren, waarbij het tekenen van signaal-ruisverhoudingen betrof, mismatch, en modelfoutuitlijningshoeken voor elke zwaartekrachtgolfgebeurtenis. De onderzoekers ontdekten dat de snelheid waarmee modelleringsfouten accumuleren afhangt van het al dan niet uitgemiddelden van modelfouten over veel verschillende catalogusgebeurtenissen, of afwijkingen voor elke gebeurtenis dezelfde waarde hebben, en de verdeling van golfvormmodelleringsfouten over gebeurtenissen.

"De volgende stap zal voor ons zijn om manieren te vinden om deze specifieke gevallen aan te pakken met behulp van meer realistische maar ook duurdere modellen, ", zegt Moore. "Als we ooit vertrouwen willen hebben in de resultaten van dergelijke tests, we moeten eerst een zo goed mogelijk begrip hebben van de fouten in onze modellen."