Kara delikler, yerçekiminin o kadar güçlü olduğu uzayda hiçbir şeyin, hatta ışığın bile çekimlerinden kaçamayacağı bölgelerdir. Kendi içlerine çöken büyük yıldızların kalıntılarından oluşurlar.
Yeni bir analiz, yerçekimi dalgalarında bulunan “doğrusal olmayan” etkilerin varlığını ortaya çıkardı.
İki kara delik daha büyük bir kara delik oluşturmak için birleştiğinde[{” attribute=””>black hole, they create violent disturbances in the fabric of spacetime, generating gravitational waves that propagate outwards. Previous research on black hole mergers relied on linear mathematics to model the behavior of these waves, assuming that they did not interact with each other. However, a recent analysis has delved deeper into these collisions, uncovering nonlinear effects in the behavior of gravitational waves.
“Nonlinear effects are what happens when waves on the beach crest and crash” says Keefe Mitman, a Caltech graduate student who works with Saul Teukolsky (PhD ’74), the Robinson Professor of Theoretical Astrophysics at Caltech with a joint appointment at Cornell University. “The waves interact and influence each other rather than ride along by themselves. With something as violent as a black hole merger, we expected these effects but had not seen them in our models until now. New methods for extracting the waveforms from our simulations have made it possible to see the nonlinearities.”
The research, published in the journal Physical Review Letters, come from a team of researchers at Caltech, Columbia University, University of Mississippi, Cornell University, and the Max Planck Institute for Gravitational Physics.
Caltech yüksek lisans öğrencisi Keefe Mitman, doğrusal olmayan yerçekimi etkileri içeren kara delik çarpışmalarının yeni bir matematiksel modelini açıklıyor; 1 kredi
Gelecekte, yeni model, rutin olarak gözlemlenen gerçek kara delik çarpışmaları hakkında daha fazla bilgi edinmek için kullanılabilir. LIGO (Lazer İnterferometre Gravitational-wave Observatory) 2015 yılında uzaydan yerçekimi dalgalarının ilk doğrudan tespiti ile tarih yazdığından beri. LIGO, dedektörleri yerçekimi dalgalarına karşı eskisinden daha hassas hale getirecek bir dizi yükseltme aldıktan sonra bu yılın sonlarında tekrar açılacak.
Mitman ve meslektaşları, Simulating eXtreme Spacetimes işbirliği veya SXS adlı bir ekibin parçası. Teukolsky tarafından Nobel Ödülü sahibi Kip Thorne (BS ’62), Richard P. Feynman Caltech’te Emeritus Teorik Fizik Profesörü ile işbirliği içinde kurulan SXS projesi, kara delik birleşmelerini simüle etmek için süper bilgisayarlar kullanıyor. Süper bilgisayarlar, Albert Einstein’ın genel görelilik teorisinin denklemlerini kullanarak karadeliklerin spiral çizerek ve birleşerek nasıl geliştiğini modelliyor. Aslında Teukolsky, iki büyük cisim birleştikten hemen sonra meydana gelen karadelik çarpışmasının “halka aşağı” aşamasını modellemek için bu görelilik denklemlerini nasıl kullanacağını anlayan ilk kişiydi.
Teukolsky, “Sinyalin tamamının doğru bir şekilde hesaplanması için süper bilgisayarlara ihtiyaç var: yörüngedeki iki kara deliğin ilham kaynağı, bunların birleşmesi ve tek bir durgun kalan kara deliğe yerleşmesi,” diyor Teukolsky. “Yerleşme aşamasının doğrusal olarak ele alınması, bir süre önce Kip ile yaptığım doktora tezimin konusuydu. Bu aşamanın yeni doğrusal olmayan tedavisi, dalgaların daha doğru bir şekilde modellenmesine ve nihayetinde genel göreliliğin aslında kara delikler için doğru yerçekimi teorisi olup olmadığına dair yeni testlere izin verecektir.
SXS simülasyonlarının, LIGO tarafından şimdiye kadar tespit edilen yaklaşık 100 kara delik çarpışmasının tanımlanmasında ve karakterize edilmesinde etkili olduğu kanıtlanmıştır. Bu yeni çalışma, ekibin ringdown aşamasının simülasyonlarında doğrusal olmayan etkileri ilk kez belirlediğini temsil ediyor.
Mitman, “Bir trambolinde iki kişi olduğunu hayal edin,” diyor. “Yavaşça zıplarlarsa, karşıdaki kişiyi bu kadar etkilememeleri gerekir. Bir teorinin lineer olduğunu söylediğimizde olan budur. Ancak bir kişi daha fazla enerjiyle zıplamaya başlarsa, trambolin bozulacak ve diğer kişi etkisini hissetmeye başlayacak. Doğrusal olmayan derken kastettiğimiz bu: Trambolin üzerindeki iki kişi, diğer kişinin varlığı ve etkisi nedeniyle yeni salınımlar yaşıyor.”
Yerçekimi açısından bu, simülasyonların yeni tip dalgalar ürettiği anlamına gelir. Mitman, “Büyük dalgaların altında daha derine inerseniz, benzersiz bir frekansa sahip ek bir yeni dalga bulacaksınız” diyor.
Büyük resimde, bu yeni simülasyonlar, araştırmacıların LIGO tarafından gözlemlenen gelecekteki kara delik çarpışmalarını daha iyi karakterize etmelerine ve Einstein’ın genel görelilik teorisini daha iyi test etmelerine yardımcı olacak.
Ortak yazar Macarena Lagos diyor ki Kolombiya Üniversitesi“Bu, bizi kozmosun uzak noktalarında meydana gelen bu inanılmaz olaylarda yerçekimi anlayışımızı derinleştirecek olan yerçekimi dalgası tespitinin bir sonraki aşamasına hazırlamak için büyük bir adım.”
Referans: “Nonlinearities in Black Hole Ringdowns” yazan Keefe Mitman, Macarena Lagos, Leo C. Stein, Sizheng Ma, Lam Hui, Yanbei Chen, Nils Deppe, François Hébert, Lawrence E. Kidder, Jordan Moxon, Mark A. Scheel, Saul A. Teukolsky, William Throwe ve Nils L. Vu, 22 Şubat 2023, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.081402
Çalışma, Sherman Fairchild Vakfı, Ulusal Bilim Vakfı, Columbia Üniversitesi Yenilikçi Teorik Kozmoloji Bursu, Enerji Bakanlığı ve Simons Vakfı tarafından finanse edildi.