A fizikusok a fekete lyukakat tartják az egyik legtitokzatosabb tárgynak, amelyek léteznek. Ironikus módon az egyik legegyszerűbbnek is tartják őket. Éveken át olyan fizikusok, mint én, azt próbálták bizonyítani, hogy a fekete lyukak összetettebbek, mint amilyennek látszanak. Egy újonnan jóváhagyott LISA nevű európai űrmisszió pedig segít nekünk ebben a kutatásban.
Kutatások az 1970-es évekből azt sugallják, hogy egy fekete lyukat átfogóan leírhatunk mindössze három fizikai tulajdonság – tömeg, töltés és forgás – felhasználásával. Ezeknek a hatalmas haldokló csillagoknak az összes többi tulajdonsága, például részletes összetételük, sűrűségük és hőmérsékleti profiljuk, eltűnik, ahogy fekete lyukká alakulnak. Ilyen egyszerűek.
Azt az elképzelést, hogy a fekete lyukaknak csak három attribútuma van, „szőrtelen” tételnek nevezik, ami arra utal, hogy nincsenek olyan „szőrös” részletek, amelyek bonyolulttá tennék őket.
A fekete lyukak hatalmas, titokzatos csillagászati objektumok.
Szőrös fekete lyukak?
Az asztrofizikai közösség kutatói évtizedeken keresztül kihasználták a szőrtelenség tétel feltételezésein belüli kiskapukat vagy megoldásokat, hogy lehetséges szőrös fekete lyuk forgatókönyveket dolgozzanak ki. A szőrös fekete lyuk olyan fizikai tulajdonsággal rendelkezik, amelyet a tudósok elvileg mérni tudnak, és amely meghaladja a tömegét, töltését vagy forgását. Ennek a tulajdonságnak a szerkezetének állandó részét kell képeznie.
Körülbelül egy évtizede Stefanos Aretakis, a Torontói Egyetem fizikusa matematikailag kimutatta, hogy a maximális töltéssel rendelkező fekete lyuk – úgynevezett extrém töltésű fekete lyuk – horizontján „szőrzet” fejlődik. A fekete lyuk horizontja az a határ, ahonnan semmi, ami átlép rajta, még a fény sem tud elszabadulni.
Aretakis elemzése inkább egy gondolatkísérlet volt, amely egy nagyon leegyszerűsített fizikai forgatókönyvet használ, így a tudósok nem várják el asztrofizikai megfigyelésüket. De lehet, hogy a feltöltött fekete lyukak nem az egyetlenek, amelyekben lehet szőr.
Mivel ismert, hogy az asztrofizikai objektumok, például a csillagok és a bolygók forognak, a tudósok arra számítanak, hogy a fekete lyukak is forognak kialakulásuk módja alapján. Csillagászati bizonyítékok kimutatták, hogy a fekete lyukaknak van spinje, bár a kutatók nem tudják, mi az asztrofizikai fekete lyukak tipikus spinértéke.
Számítógépes szimulációkat használva a csapatom a közelmúltban hasonló hajtípusokat fedezett fel a maximális sebességgel forgó fekete lyukakban. Ez a hajszál a változás sebességéhez vagy a téridő görbületének a horizonton való gradienséhez kapcsolódik. Azt is felfedeztük, hogy egy fekete lyuknak valójában nem kell maximálisan forognia ahhoz, hogy szőrük legyen, ami azért fontos, mert maximálisan forgó fekete lyukak valószínűleg nem jönnek létre a természetben.
Haj észlelése és mérése
A csapatom egy módszert akart kidolgozni ennek a hajszálnak a potenciális mérésére – egy új rögzített tulajdonságra, amely a tömegén, a forgásán és a töltésén túl is jellemezhet egy fekete lyukat. Elkezdtük vizsgálni, hogy egy ilyen új tulajdonság hogyan hagyhat aláírást egy gravitációs hullámon, amelyet egy gyorsan forgó fekete lyuk bocsát ki.
A gravitációs hullám a téridő apró zavara, amelyet jellemzően az univerzum heves asztrofizikai eseményei okoznak. Kompakt asztrofizikai objektumok, például fekete lyukak és neutroncsillagok ütközései erős gravitációs hullámokat bocsátanak ki. Gravitációs obszervatóriumok nemzetközi hálózata, beleértve a Lézeres Interferométer Gravitációs Hullám Obszervatóriumot az Egyesült Államokban, rutinszerűen észleli ezeket a hullámokat.
Legutóbbi tanulmányaink azt sugallják, hogy ezek a szőrös tulajdonságok a gravitációs hullámok adataiból mérhetők gyorsan forgó fekete lyukak esetében. A gravitációs hullámok adatainak megtekintése lehetőséget kínál egyfajta aláírásra, amely jelezheti, hogy a fekete lyukban van-e ilyen típusú haj.
Folyamatban lévő tanulmányaink és Som Bishoyi, a csapat egyik diákja által a közelmúltban elért haladás a gyorsan forgó fekete lyukak elméleti és számítási modelljeinek keverékén alapul. Eredményeinket még nem tesztelték terepen, és nem figyelték meg valódi fekete lyukakban az űrben. De reméljük, hogy ez hamarosan megváltozik.
LISA elnyerte az utat
2024 januárjában az Európai Űrügynökség hivatalosan is elfogadta az űralapú Lézeres Interferométer Űrantenna, vagy LISA küldetését. A LISA gravitációs hullámokat fog keresni, és a küldetésből származó adatok segíthetnek csapatomnak a szőrös fekete lyukakkal kapcsolatos kérdéseink megoldásában.
A LISA űrszondák gravitációs hullámokat figyelnek meg távoli forrásból, miközben a Nap körül keringenek. A formális elfogadás azt jelenti, hogy a projekt engedélyt kapott az építési fázisba lépni, a tervezett 2035-ös indulással. A LISA három űrhajóból áll majd, amelyek tökéletes egyenlő oldalú háromszögben helyezkednek el, és a Föld mögött haladnak a Nap körül. Az űrhajók mindegyike 1,6 millió mérföldre (2,5 millió kilométerre) lesz egymástól, és lézersugarakat cserélnek, hogy megmérjék az egymás közötti távolságot körülbelül egymilliárd hüvelyk pontossággal.
A LISA olyan szupermasszív fekete lyukak gravitációs hullámait fogja észlelni, amelyek több millió vagy akár milliárdszor nagyobb tömegűek, mint a mi Napunk. A forgó fekete lyukak körül egy téridő-térképet készít, amely segít a fizikusoknak megérteni, hogyan működik a gravitáció a fekete lyukak közvetlen közelében, példátlan pontossággal. A fizikusok azt remélik, hogy a LISA képes lesz mérni a fekete lyukak esetleges szőrös tulajdonságait is.
A LIGO új megfigyeléseket végez minden nap, és a LISA bepillantást nyújt a fekete lyukak körüli téridőbe, így most van az egyik legizgalmasabb időszak a fekete lyukak fizikusa számára.
Gaurav Khanna a Rhode Islandi Egyetem fizikaprofesszora. Ezt a cikket újra kiadták A beszélgetés alatt Creative Commons licenc. Olvassa el a eredeti cikk.
A cikk eredeti nyelven itt érhető el: https://www.discovermagazine.com/the-sciences/a-new-space-mission-may-help-physicists-answer-hairy-questions-about-black
