Hva Skjer Når To Sorte Hull Kolliderer?

Illustrasjon: Angelica Alzona (Gizmodo)

Giz AsksIn dette Gizmodo-serien, kan vi stille spørsmål om alt fra plass til å rumper og få svar fra et utvalg av eksperter.

På September 14, 2015, signaler fra en av Universets mest ufattelige, kraftig hendelser produsert de minste signal i et par av detektorer, ett i Louisiana og en i Washington state. De hadde oppdaget to allerede-wild-objekter, sorte hull, smelle inn i en annen.

Du er sannsynligvis kjent med sorte hull som kosmiske støvsugere, men de er litt mer komplisert enn som så. Én kjerne takeaway av Einstien ‘ teori om tyngdekraften er at tunge nok ting faktisk endre formen på plass rundt dem, og tyngdekraften er hvordan vi opplever denne vridningen. Sorte hull er områder av plassen er så liten, og massive at de bærer et point-of-no-return, en “event horizon” utover som plassen er så forvridd at hver bane at noe kunne reise fører til det sorte hullet er midten. Ingenting, selv ikke lys kan unnslippe.

Så, når to av disse objektene kolliderer, kan du se at det er noe fenomenal skjer, og faktisk forskere har målt resultatet flere ganger ved hjelp av Laser Interferometer Gravitasjons-Bølge Jorden, eller LIGO, samt Jomfruen detektor. For denne uken er Giz Ber vi om forskere for å gi oss den kjedelige.

Imre Bartos

Fysiker og Assisterende professor ved University of Florida, Medlem av LIGO Vitenskapelig Samarbeid

Når sorte hull komme nær hverandre, de sikring i ett, større sort hull. Den nye sorte hull er radius vil være omtrent lik summen av de to opprinnelige sort hull er radier, noe som gjør det nye svart hull omfattet et mye større volum. Fusion er noe som hva som to dråper vann ville gjøre i rommet når de kommer nær.

Også viktigere, sorte hull slipper ut store mengder av gravitasjonsbølger som de tett inn på hverandre. Dette kan slå noen få prosent av deres masse til ren energi stråler bort som gravitasjonsbølger.

Vi oppdaget en kollisjon mellom to sorte hull for første gang for ikke lenge siden, i 2015, som følge av byggingen av Avansert LIGO gravitasjons-bølge jorden. Med fortsatt teknologiske forbedringer, vil vi gå fra dette første deteksjon til en oppdagelse hver uke i de neste årene. Mens vi observerer disse kollisjoner, er vi ennå ikke vet hva kosmiske prosessen bringer sorte hull nær hverandre, slik at de kan kollidere. Observere disse kollisjoner kan også hjelpe oss med å svare på en rekke utestående spørsmål, for eksempel hvordan sorte hull arbeid som kosmiske partikler hurtigvalg, eller om Einsteins Generelle Relativitetsteori er den riktige beskrivelsen av arten. Sort hull kollisjoner kan også hjelpe oss til bedre kart hvordan Universet ekspanderer.

Sabine Hossenfelder

Teoretisk fysiker ved Frankfurt Institute for Advanced Studies i Tyskland, forfatter og blogger forske quantum gravity

Det mest bemerkelsesverdige ting om sorte hull er at de er uvesentlige.
De er rene rom-tid deformasjoner, definert av the event horizon som
grensene for området der ingenting kan unnslippe.

I det enkleste tilfellet, horisonten av et sort hull er sfærisk. Hvis to sorte hull komme for nær, disse kulene vil smelte sammen og danne en større sammenheng. Etter fusjonen, sfæren vil vingle en stund før det legger seg ned, som er kalt “ringdown.” Både fusjon og ringdown produsere gravitasjonsbølger. Gravitasjons bølge signal ikke bare inneholde informasjon om sorte hull som slås sammen, den også gir oss mulighet til å teste om vi riktig forstå hvordan rom-tid svinger i slike ekstreme situasjoner. For alt vi i dag vet, Einstein fikk den rett.

Dette datamaskin simulering viser kollisjon av to sorte hull, som produserer gravitasjonsbølger.Bilde: SXS (NASA)

Oliver Jennrich

Grunnleggende fysikk oppgave er forsker ved European Space Agency som fungerer på den kommende Laser Interferometer Plass Antenne gravitasjonsfelt bølge eksperiment.

[Sorte hull] avgir gravitasjonsbølger og slå sammen til ett større sort hull. Men det er ikke slutten av historien. Historien begynner vanligvis med to stjerner som går i bane rundt hverandre, mye som Jorden går i bane rundt Solen. Hvis de rette betingelsene er oppfylt, de to stjernene vil bli svart hull når sine drivstoff er slutt brukt, og de resterende saken faller i to sorte hull. De to sorte hull holde i bane rundt hverandre, og for dem til å kollidere, deres avstand må bli mindre. Med andre ord: de trenger å miste energi. For sorte hull, i hovedsak den eneste måten å gjøre det på er ved å slippe ut gravitasjonsbølger. Så, revolusjon av revolusjonen, den system av to svarte hull som sender ut gravitasjonsbølger og deres bane krymper. Jo nærmere de kommer, jo mer effektiv blir utslipp av gravitasjonsbølger, dvs. bane krymper raskere og raskere mens mengden av gravitasjonsbølger blir større og større. Dette kalles inspiral fase.

På et tidspunkt, de to sorte hull er så nær hverandre, at deres gjensidige gravitasjonsfelt attraksjonen begynner å deformere dem, som gir dem enda tettere til de to sorte hull fusjonere og bli en peanut-formet objekt. Mye som et veldig mye langstrakt såpe-boble, dette peanut-formet svart hull napp og svinger, og til slutt får en sfærisk form. Dette er post-fusjon eller ring-ned-fase der den nye vingling svart hull avgir svært karakteristisk gravitasjonsbølger som godt.

Det nylig etablerte tilbake hull massen er vanligvis et par prosent mindre enn summen av massene til de to første sorte hull—alle de andre har vært utstrålte bort av gravitasjonsbølger, det meste av det i løpet av fusjonen fase. Som den første masser av sorte hull kan være stor (millioner ganger massen til Solen vår), selv noen få prosent av massen utgjør en svært stor mengde energi. Faktisk, en fusjon av to sorte hull er den mektigste hendelse i Universet, avgi mer makt enn resten av Universet til sammen. [Ed merk: “Makt” her betyr at den pris som energi frigjøres.] Men effekten av at titanic mengden av energi er svært små—gravitasjonsbølger fra slike hendelser vil endre avstanden mellom Solen og Jorden av beløpet diameteren av et hydrogenatom.

Bakken basert gravitasjonsfelt bølge detektorer som kilometer-størrelse LIGO og Jomfruen detektorer er i stand til å måle signaler som sendes fra sammenslåing svart hull som har så mye som 30 ganger massen til Solen. I den siste fasen av inspiral, sorte hull flytte rundt med om lag 60 prosent av lysets hastighet, og den resulterende gravitasjonsbølger er i størrelsesorden 100-300 Hz. Å observere mye tyngre sorte hull, observasjoner ved lavere frekvenser er nødvendig. På Jorden, de signaler som er maskert av støy forårsaket av jordskjelv, vær og folk. For denne grunn, LISA, et ESA-ledede misjonen, vil være å oppdage gravitasjonsbølger fra rommet, ved hjelp av tre romskip 2 millioner kilometer fra hverandre for å registrere gravitasjonsbølger i frekvensområdet 30 mHz til 0,1 Hz.

Jillian Bellovary

Teoretisk astrofysiker og førsteamanuensis ved Queensborough Community College

Når to sorte hull kolliderer, de gjør en større svart hull. Men massen av større sort hull er IKKE summen av massene til de to små. Det er litt mindre, fordi noen av deres massen omdannes til energi og stråler bort i gravitasjonsbølger. Vi vet at dette er sant fordi vi har oppdaget disse krusninger i oppbyggingen av rom-tid med LIGO detektor.

Noe vi også tror er sanne (men vi har ikke observert ennå) er at etter fusjonen, den nye store svarte hullet får et “kick” i hastighet, og zoomer ut i et (tilsynelatende tilfeldig) retning. Mengden av spark og retning, avhenger av egenskapene til den binære svart hull systemet før det fusjonerte.

En del av forskningen min på å finne massive sorte hull i dverg galakser, avhenger av hvor effektiv denne kick er; hvis det sorte hullet blir sparket ut av galaksen (eller bare kastet ut av senteret, noe som gjør det vandre rundt i utkanten), er det mye vanskeligere å finne, men jeg prøver å tenke på måter å se etter disse vandrende sorte hull.

Har du et brennende spørsmål for Giz Spør? Send oss e-post på tipbox@gizmodo.com.

Deler Denne Historien