Im Jahr 2017 klingelte eine Gravitationswelle wie ein klarer Glockenton über die Erde. Es streckte und quetschte jeden Menschen, jede Ameise und jedes wissenschaftliche Instrument auf dem Planeten, als es durch unsere Region des Weltraums ging. Jetzt sind Forscher zurückgegangen und haben diese Welle untersucht und darin verborgene Daten gefunden - Daten, die eine jahrzehntealte Idee der Astrophysik bestätigen.
Diese Welle von 2017 war eine große Sache: Zum ersten Mal hatten Astronomen ein Werkzeug, das sie im Vorbeigehen erkennen und aufzeichnen konnte, das so genannte Laserinterferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO). Diese erste Welle war das Ergebnis von zwei schwarzen Löchern, die weit entfernt im Weltraum zusammenstießen. Und jetzt hat ein Team von Astrophysikern einen weiteren Blick auf die Aufnahme geworfen und etwas gefunden, von dem andere dachten, dass es Jahrzehnte dauern würde, es aufzudecken: die genaue Bestätigung des "No-Hair-Theorems". Dieser wesentliche Aspekt der Theorie des Schwarzen Lochs geht mindestens auf die 1970er Jahre zurück - ein Satz, an dem Stephen Hawking bekanntermaßen zweifelte.
Wenn Physiker sagen, Schwarze Löcher hätten keine "Haare", so Maximiliano Isi, Physiker am MIT und Hauptautor des Papiers, meinen sie, dass astrophysikalische Objekte sehr einfach sind. Schwarze Löcher unterscheiden sich nur in drei Punkten: Spinrate, Masse und elektrische Ladung. Und in der realen Welt unterscheiden sich Schwarze Löcher wahrscheinlich nicht sehr in der elektrischen Ladung, so dass sie sich wirklich nur in Bezug auf Masse und Spin unterscheiden. Physiker nennen diese kahlen Objekte "Kerr Schwarze Löcher".
Diese Haarlosigkeit unterscheidet Schwarze Löcher sehr von fast jedem anderen Objekt im Universum, sagte Isi gegenüber Live Science. Wenn zum Beispiel eine echte Glocke läutet, sendet sie Schallwellen und einige nicht nachweisbare, unglaublich schwache Gravitationswellen aus. Aber es ist ein viel komplizierteres Objekt. Eine Glocke besteht zum Beispiel aus einem Material (vielleicht Bronze oder Gusseisen), während nach dem No-Hair-Modell alle schwarzen Löcher einheitliche Singularitäten sind. Jede Glocke hat auch eine etwas einzigartige Form, während schwarze Löcher alle infinitesimale, dimensionslose Punkte im Raum sind, die von sphärischen Ereignishorizonten umgeben sind. All diese Merkmale einer Glocke können im Klang einer Glocke erkannt werden - zumindest wenn Sie etwas über Glocken und Schallwellen wissen. Wenn Sie die Gravitationswellen einer Glocke irgendwie spüren könnten, würden Sie diese Unterschiede in der Zusammensetzung und Form der Glocke auch darin erkennen, sagte Isi.
"Das Geheimnis dieses ganzen Geschäfts ist, dass die Wellenform - das Muster dieses Streckens und Zusammendrückens - Informationen über die Quelle codiert, die diese Gravitationswelle verursacht hat", sagte er gegenüber Live Science.
Und Astronomen, die die Welle von 2017 studierten, haben viel über die Kollision mit dem Schwarzen Loch gelernt, die sie ausgelöst hat, sagte Isi.
Aber die Aufnahme war schwach und nicht sehr detailliert. LIGO, der beste Gravitationswellendetektor der Welt, verwendete einen Laser, um die Abstände zwischen Spiegeln zu messen, die in einem L-Muster im Bundesstaat Washington in einem Abstand von 4 Kilometern angeordnet sind. (Virgo, ein ähnlicher Detektor, hat die Welle auch in Italien aufgenommen.) Als die Welle über LIGO rollte, verzerrte sie die Raumzeit selbst und veränderte diese Entfernung geringfügig. Aber die Details dieser Gravitationswelle waren nicht intensiv genug, um von den Detektoren aufgezeichnet zu werden, sagte Isi.
"Aber es ist, als würden wir von weit her zuhören", sagte Isi.
Zu dieser Zeit bot diese Welle viele Informationen. Das Schwarze Loch verhielt sich wie erwartet. Es gab keine offensichtlichen Beweise dafür, dass es keinen Ereignishorizont gab (die Region, hinter der kein Licht entweichen kann), und es weicht nicht dramatisch vom No-Hair-Theorem ab, sagte Isi.
In vielen dieser Punkte, insbesondere im No-Hair-Theorem, konnten sich die Forscher jedoch nicht sicher sein. Der am einfachsten zu untersuchende Teil der Wellenform, sagte Isi, kam, nachdem die beiden Schwarzen Löcher zu einem größeren Schwarzen Loch verschmolzen waren. Es klingelte eine Weile, ähnlich wie eine angeschlagene Glocke, und schickte seine überschüssige Energie als Gravitationswellen in den Weltraum - was Astrophysiker den "Ringdown" -Prozess nennen.
Zu dieser Zeit entdeckten Forscher, die LIGO-Daten betrachteten, nur eine Wellenform im Ringdown. Die Forscher dachten, es würde Jahrzehnte dauern, um Instrumente zu entwickeln, die empfindlich genug sind, um leisere Obertöne im Ringdown aufzunehmen. Aber einer von Isis Kollegen, Matt Giesler, ein Physiker am California Institute of Technology, stellte fest, dass es unmittelbar nach der Kollision eine kurze Zeit gab, in der der Ringdown so intensiv war, dass LIGO mehr Details als gewöhnlich aufzeichnete. Und in diesen Momenten war die Welle laut genug, dass LIGO einen Oberton aufnahm - eine zweite Welle mit einer anderen Frequenz, sehr ähnlich den schwachen Sekundärnoten, die im Klang einer angeschlagenen Glocke getragen werden.
In Musikinstrumenten enthalten Obertöne die meisten Informationen, die den Instrumenten ihren unverwechselbaren Klang verleihen. Gleiches gilt für die Obertöne einer Gravitationswelle, sagte er. Und dieser neu aufgedeckte Oberton verdeutlichte die Daten über das klingelnde Schwarze Loch sehr, sagte Isi.
Es zeigte sich, sagte er, dass das Schwarze Loch zumindest einem Kerr-Schwarzen Loch sehr nahe war. Der No-Hair-Satz kann verwendet werden, um vorherzusagen, wie der Oberton aussehen wird; Isi und sein Team zeigten, dass der Oberton dieser Vorhersage ziemlich genau entsprach. Die Aufnahme des Obertons war jedoch nicht sehr klar, so dass es immer noch möglich ist, dass der Ton etwas anders war - um etwa 10% - als das, was der Satz vorhersagen würde…
Um diese Präzision zu übertreffen, müsste man aus der Wellenform einer Kollision mit einem Schwarzen Loch einen klareren Oberton extrahieren oder ein empfindlicheres Instrument als LIGO bauen, sagte Isi.
"In der Physik geht es darum, immer näher zu kommen", sagte Isi. "Aber du kannst nie sicher sein."
Es ist sogar möglich, dass das Signal vom Oberton nicht real ist, sondern zufällig aufgrund zufälliger Schwankungen der Daten auftritt. Sie berichteten von einem "3,6σ-Vertrauen" in die Existenz des Obertons. Das heißt, es besteht eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 6.300, dass der Oberton kein echtes Signal vom Schwarzen Loch ist.
Wenn sich die Instrumente verbessern und mehr Gravitationswellen erfasst werden, sollten alle diese Zahlen sicherer und präziser werden, sagte Isi. LIGO hat bereits Upgrades durchlaufen, die das Erkennen von Kollisionen mit Schwarzen Löchern ziemlich routinemäßig gemacht haben. Ein weiteres Upgrade, das für Mitte 2020 geplant ist, sollte laut Physics World die Empfindlichkeit verzehnfachen. Sobald die weltraumgestützte Laserinterferometer-Weltraumantenne (LISA) Mitte der 2030er Jahre auf den Markt gebracht wurde, sollten Astronomen in der Lage sein, die Haarlosigkeit von Schwarzen Löchern bis zu einem Grad zu bestätigen, der heute unmöglich ist.
Laut Isi ist es jedoch immer möglich, dass Schwarze Löcher nicht vollständig kahl sind - sie haben möglicherweise einen Quantenpfirsichfussel, der einfach zu weich und kurz ist, als dass unsere Instrumente ihn aufnehmen könnten.
