Yeni yöntemler, LIGO verilerini kullanarak Einstein’ın genel görelilik teorisinin daha iyi test edilmesine izin verecek

Albert Einstein’ın genel görelilik teorisi, uzay ve zamanın veya uzay zamanın dokusunun kütleye tepki olarak nasıl büküldüğünü açıklar. Örneğin güneşimiz, etrafımızdaki uzayı öyle büker ki, Dünya gezegeni bir huniye atılan bir bilye gibi güneşin etrafında döner (Dünya, Dünya’nın yanlamasına momentumu nedeniyle Güneş’in içine düşmez).

1915’te önerildiği sırada devrim niteliğinde olan teori, yerçekimini uzay-zamanın bir bükülmesi olarak yeniden şekillendiriyor. Bu teori, etrafımızdaki uzayın doğası için ne kadar temel olsa da, fizikçiler bunun hikayenin sonu olmayabileceğini söylüyor. Bunun yerine, genel göreliliği kuantum fiziğiyle birleştirmeye çalışan kuantum yerçekimi teorilerinin, evrenimizin en derin seviyelerde nasıl çalıştığına dair sırlar taşıdığını iddia ediyorlar.

Kuantum yerçekiminin imzalarını aramak için bir yer, yerçekiminin en aşırı olduğu kara delikler arasındaki güçlü çarpışmalardır. Kara delikler, evrendeki en yoğun nesnelerdir; yerçekimleri o kadar güçlüdür ki, içlerine düşen nesneleri spagetti benzeri eriştelere sıkıştırırlar. İki kara delik çarpıştığında ve daha büyük bir gövdede birleştiğinde, etraflarında uzay-zamanı sallarlar ve her yöne yerçekimi dalgaları adı verilen dalgacıklar gönderirler.

Caltech ve MIT tarafından yönetilen Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen LIGO, 2015’ten beri karadelik birleşmeleri tarafından üretilen yerçekimi dalgalarını rutin olarak tespit ediyor (ortak gözlemevleri Virgo ve KAGRA, sırasıyla 2017 ve 2020’de ava katıldı). Bununla birlikte, şimdiye kadar genel görelilik kuramı, hiçbir bozulma belirtisi göstermeden test üstüne testten geçti.

Şimdi, Caltech liderliğindeki iki yeni makale, Fiziksel İnceleme X Ve Fiziksel İnceleme Mektupları, genel göreliliği daha da sıkı testlere tabi tutmak için yeni yöntemler tanımlıyor. Bilim adamları, kara deliklerin yapılarına ve ürettikleri uzay-zamandaki dalgalanmalara daha yakından bakarak, genel görelilikten kuantum yerçekiminin varlığına işaret edecek küçük sapmalar arıyorlar.

Caltech’te fizik profesörü ve her iki çalışmanın ortak yazarı olan Yanbei Chen (Ph.D. ’03), “İki kara delik daha büyük bir kara delik oluşturmak için birleştiğinde, son kara delik bir zil gibi çalar” diye açıklıyor. “Çınlamanın veya tınısının kalitesi, eğer bazı kuantum yerçekimi teorileri doğruysa, genel göreliliğin tahminlerinden farklı olabilir. Yöntemlerimiz, harmonikler gibi bu çalma aşamasının kalitesindeki farklılıkları aramak için tasarlanmıştır. örneğin imalar.”

Caltech yüksek lisans öğrencisi Dongjun Li liderliğindeki ilk makale, kara deliklerin belirli kuantum yerçekimi teorileri çerçevesinde veya bilim adamlarının genel görelilik ötesi rejim olarak adlandırdıkları rejimde nasıl çınlayacağını açıklayan yeni bir tek denklem rapor ediyor.

Çalışma, Caltech’te Robinson Teorik Astrofizik Profesörü olan Saul Teukolsky (Ph.D. ’73) tarafından 50 yıl önce geliştirilen çığır açan bir denklem üzerine inşa edilmiştir. Teukolsky, uzay-zaman geometrisindeki dalgalanmaların kara deliklerin etrafında nasıl yayıldığını daha iyi anlamak için karmaşık bir denklem geliştirmişti. Genel görelilikle ilgili birçok diferansiyel denklemi aynı anda çözmek için süper bilgisayarların gerekli olduğu sayısal görelilik yöntemlerinin aksine, Teukolsky denkleminin kullanımı çok daha basittir ve Li’nin açıkladığı gibi, soruna doğrudan fiziksel bakış sağlar.

Li, “Bir kara delik birleşmesinin tüm Einstein denklemlerini doğru bir şekilde simüle etmek için çözmek istiyorsa, süper bilgisayarlara başvurmaları gerekir” diyor. “Sayısal görelilik yöntemleri, kara delik birleşmelerini doğru bir şekilde simüle etmek için inanılmaz derecede önemlidir ve LIGO verilerini yorumlamak için çok önemli bir temel sağlarlar. Ancak fizikçiler için doğrudan sayısal sonuçlardan sezgiler çıkarmak son derece zordur. Teukolsky denklemi bize sezgisel bir bakış sağlar. zil çalma aşamasında neler oluyor.”

Li, Teukolsky’nin denklemini alıp ilk kez genel görelilik ötesi rejimdeki kara deliklere uyarlamayı başardı. “Yeni denklemimiz, Einstein’ın tahmin ettiğinden daha egzotik olan kara deliklerin etrafında yayılan yerçekimi dalgalarını modellememize ve anlamamıza izin veriyor” diyor.

yayınlanan ikinci makale, Fiziksel İnceleme MektuplarıCaltech yüksek lisans öğrencisi Sizheng Ma liderliğindeki , Li’nin denklemini LIGO ve ortakları tarafından bir sonraki gözlemsel çalışmalarında elde edilen gerçek verilere uygulamanın yeni bir yolunu açıklıyor. Bu veri analizi yaklaşımı, genel görelilik tarafından tahmin edilen bir kara deliğin çınlamasının özelliklerini kaldırmak için bir dizi filtre kullanır, böylece potansiyel olarak ince, genel göreliliğin ötesindeki imzalar ortaya çıkarılabilir.

Ma, “LIGO, Virgo ve KAGRA’nın toplayacağı verilerde Dongjun’un denklemiyle açıklanan özellikleri arayabiliriz” diyor. “Dongjun, çok sayıda karmaşık denklemi tek bir denkleme çevirmenin bir yolunu buldu ve bu çok yardımcı oluyor. Bu denklem, daha önce kullandığımız yöntemlerden daha verimli ve kullanımı daha kolay.”

Li, iki çalışmanın birbirini iyi tamamladığını söylüyor. “Başlangıçta, denklemimin öngördüğü imzaların çoklu armoniler ve armonikler altında kaybolacağından endişelendim; neyse ki, Sizheng’in filtreleri bilinen tüm bu özellikleri kaldırabilir, bu da bizim sadece farklılıklara odaklanmamızı sağlar” diyor.

Chen ekledi: “Li ve Ma’nın bulguları, birlikte çalışarak topluluğumuzun yerçekimini araştırma yeteneğini önemli ölçüde artırabilir.”