Kada se dvije crne rupe sudare u golemom vakuumu svemira, kraj nije trenutni udar ili tišina. Nastaje novo nebesko tijelo, ali ono nije mirno. Ono… ‘odzvonjava’. Poput brončanog zvona koje titra dugo nakon udarca, nova crna rupa šalje kroz prostorvrijeme valove koji se ponašaju mnogo kompleksnije nego što je znanost dosad pretpostavljala.
U upravo objavljenoj studiji u časopisu Physical Review Letters, međunarodni tim fizičara predstavlja detaljan teorijski model koji pokazuje kako „ringdown“ faza nakon sudara crnih rupa uključuje nelinearne, međusobno isprepletene gravitacijske oscilacije koje raniji modeli nisu uzimali u obzir.
Odjek sudara: više od jednostavne vibracije
Faza ringdown označava ono što slijedi nakon spajanja dviju crnih rupa. U toj fazi, novoformirani objekt počinje oscilirati, a prostorvrijeme oko njega treperi na karakterističnim frekvencijama. Do sada su znanstvenici smatrali da su te oscilacije relativno jednostavne, opisive tzv. kvazinormalnim modovima — osnovnim, linearnim obrascima vibracije koji se javljaju kada zakrivljenost prostorvremena polako prelazi u stabilnije stanje.
No nova analiza otkriva da ti osnovni modovi zapravo međudjeluju i stvaraju sekundarne, kvadratične oscilacije — rezultat nelinearnih efekata koje je opća teorija relativnosti oduvijek dopuštala, ali koje do sada nisu bile ni matematički ni teorijski u potpunosti razrađene.
“Uvijek me fascinirala složenost nelinearnih pojava u općoj relativnosti,” rekao je Huan Yang, jedan od autora studije i istraživač na Sveučilištu Tsinghua u Pekingu. “Tijekom posljednjih nekoliko godina razvijeni su novi teorijski alati koji nam omogućuju proučavanje nelinearnih perturbacija crnih rupa. To me potaknulo da se detaljnije posvetim nelinearnim oscilacijama koje nastaju nakon njihovih sudara.”
Kvadratični modovi: zvučna arhitektura prostorvremena
Za razliku od linearnog ponašanja, gdje se svaki mod vibracije ponaša neovisno, nelinearne interakcije omogućuju spajanje osnovnih modova u nove signale. Te se sekundarne oscilacije nazivaju kvadratičnim jer proizlaze iz kvadrata amplituda osnovnih modova — jedan oblik nelinearnosti u gravitacijskim valovima.
Einsteinova opća teorija relativnosti — koja gravitaciju opisuje kao zakrivljenost prostorvremena uzrokovanu masom i energijom — po svojoj prirodi je nelinearna. To znači da gravitacijski valovi mogu međusobno djelovati. U okolini crnih rupa, gdje je zakrivljenost ekstremna, te interakcije postaju osobito izražene.
Yang i njegov tim razradili su dva potpuno neovisna matematička pristupa za proučavanje tih interakcija. Prvi koristi tehniku kompleksne konture — sofisticiranu metodu integracije u kompleksnoj ravnini — dok drugi pristup uvodi tzv. hiperbeloidnu vremensku sekvencu, novi način rezanja prostorvremena koji izbjegava tehničke poteškoće u jednadžbama.
Njihov je cilj bio klasificirati sve moguće puteve spajanja osnovnih modova — tzv. kanale sprezanja — koji bi mogli objasniti pojavu sekundarnih oscilacija u gravitacijskim signalima.
Četiri kanala i jedan koji zauvijek nestaje
U konačnici, identificirana su četiri temeljna kanala kvadratičnih interakcija. Svaki od njih opisuje različit način na koji dva osnovna modula mogu međudjelovati i proizvesti sekundarni signal. No jedan od tih kanala, posebne matematičke konfiguracije u kojoj oba “roditeljska” moda djeluju s negativnim koeficijentima, u potpunosti nestaje.
Bez obzira na masu, brzinu vrtnje ili druge karakteristike crne rupe, taj kanal uvijek polako nestaje— i to ne zbog numeričke pogreške, već zbog same strukture temeljnih jednadžbi koje opisuju ponašanje crnih rupa.
“Izračun se temelji na teoriji perturbacija crnih rupa, koja postoji već više od pola stoljeća,” rekao je Yang. “Ovo je prvi put da imamo dosljedna predviđanja u nelinearnom režimu koja su u skladu s numeričkim simulacijama.”
Njihovi rezultati ujedno rješavaju dugogodišnju napetost između teorijskih modela i stvarnih simulacija. U prijašnjim radovima, tim je nailazio na nelogičnosti koje nisu mogli objasniti — sve dok nisu shvatili da su neke kanale sprezanja jednostavno previdjeli.
“Takva su testiranja ključna,” dodaje Yang. “U našem prošlogodišnjem radu, nismo mogli uskladiti teoriju i simulacije upravo zato što nismo prepoznali sve kanale. Sada smo ih jasno klasificirali.”
Novi valovi traže nove detektore
Ovo teorijsko otkriće dolazi u ključnom trenutku za gravitacijsku astronomiju. Današnji detektori — LIGO u SAD-u i Virgo u Italiji — već djeluju blizu granice osjetljivosti potrebne da bi uopće mogli registrirati ove slabije, sekundarne signale. No detektori sljedeće generacije donijet će znatno veću preciznost i širinu.
Yang i njegov tim proveli su detaljnu analizu kako bi utvrdili koje bi kvadratične oscilacije mogle biti detektabilne različitim konfiguracijama instrumenata. Rezultati pokazuju da bi nekoliko sekundarnih modova moglo dosegnuti signal-šum omjer veći od 8 do 10, što je prag detekcije, na nadolazećem zemaljskom instrumentu Cosmic Explorer.
S druge strane, svemirski detektori poput misije LISA — čije se lansiranje očekuje 2030-ih — mogli bi s visokom preciznošću pratiti drugačije kombinacije modova, osobito u sustavima s velikim masama i brzim rotacijama.
“Ako želimo uhvatiti ove nelinearne signale, potrebni su nam uređaji koji mogu precizno pratiti cijeli proces spajanja crnih rupa, osobito fazu ringdowna,” objašnjava Yang.
“Svemirski detektori poput LISA-e i detektori treće generacije poput Cosmic Explorera bit će naši najbolji alati za promatranje tih oscilacija — uz signal-šum omjer koji bi mogao ići i do nekoliko stotina.”
Prema njihovoj analizi, najjači signali dolaze iz sustava s umjerenim masenim omjerom i maksimalno rotirajućim crnim rupama. U slučaju zemaljskih detektora, najpovoljniji su sustavi ukupne mase između 60 i 80 masa našeg Sunca.
Mogući pomaci izvan Einsteinove teorije
Ako znanstvenici uspiju uočiti ove kvadratične modove u stvarnim gravitacijskim valovima, to bi predstavljalo jedan od najrigoroznijih testova opće relativnosti do danas — i to u režimima ekstremne gravitacije gdje nijedna druga teorija fizike još nije potvrđena.
No, ako se opaženi intenziteti i obrasci oscilacija razlikuju od teorijskih predviđanja, to bi moglo upućivati na nešto još dublje: fiziku izvan Einsteinovih jednadžbi, nešto što još nemamo u našim modelima svemira.
Za Yanga, kvadratične oscilacije su tek prvi sloj.
“U fazi ringdowna postoji cijeli spektar nelinearnih ponašanja,” kaže. “Kvadratični mod je samo jedan od njih. Vjerujem da ćemo, kad sve te signale u potpunosti razumijemo, moći rekonstruirati potpunu valnu formu ringdowna — onu koja vjerno opisuje signal od vrhunca sudara pa sve do potpunog smirenja.”
🔵 Pridružite se razgovoru!
Imate nešto za podijeliti ili raspraviti? Povežite se s nama na Facebooku i pridružite se zajednici znatiželjnih istraživača u našem Telegram kanalu. Za najnovija otkrića i uvide, pratite nas i na Google Vijestima.
