Kreditt: Pixabay/CC0 Public Domain
Albert Einsteins generelle relativitetsteori beskriver hvordan stoffet av rom og tid, eller romtid, er buet som svar på masse. Solen vår, for eksempel, forvrider rommet rundt oss slik at planeten Jorden ruller rundt solen som en klinkekule kastet inn i en trakt (Jorden faller ikke inn i solen på grunn av jordens sidelengs momentum).
Teorien, som var revolusjonerende på det tidspunktet den ble foreslått i 1915, omarbeidet tyngdekraften som en krumning av romtiden. Så grunnleggende som denne teorien er for selve naturen til rommet rundt oss, sier fysikere at det kanskje ikke er slutten på historien. I stedet argumenterer de for at teorier om kvantetyngdekraft, som forsøker å forene generell relativitet med kvantefysikk, har hemmeligheter for hvordan universet vårt fungerer på de dypeste nivåene.
Et sted å lete etter signaturer av kvantetyngdekraften er i de mektige kollisjonene mellom sorte hull, der tyngdekraften er på sitt mest ekstreme. Sorte hull er de tetteste gjenstandene i universet – tyngdekraften deres er så sterk at de klemmer gjenstander som faller inn i dem til spaghettilignende nudler. Når to sorte hull kolliderer og smelter sammen til en større kropp, ruller de rom-tid rundt dem, og sender krusninger kalt gravitasjonsbølger utover i alle retninger.
National Science Foundation-finansierte LIGO, administrert av Caltech og MIT, har rutinemessig oppdaget gravitasjonsbølger generert av svarte hulls fusjoner siden 2015 (partnerobservatoriene, Virgo og KAGRA, ble med på jakten i henholdsvis 2017 og 2020). Så langt har imidlertid den generelle relativitetsteorien bestått test etter test uten tegn til å bryte sammen.
Nå beskriver to nye Caltech-ledede artikler, i Physical Review X og Physical Review Letters, nye metoder for å sette generell relativitet på enda strengere tester. Ved å se nærmere på strukturene til sorte hull, og krusningene i rom-tid de produserer, søker forskerne etter tegn på små avvik fra generell relativitet som kan antyde tilstedeværelsen av kvantetyngdekraft.
“Når to sorte hull smelter sammen for å produsere et større sort hull, ringer det endelige sorte hullet som en klokke,” forklarer Yanbei Chen (Ph.D. ’03), professor i fysikk ved Caltech og medforfatter av begge studiene. “Kvaliteten på ringingen, eller klangfargen, kan være forskjellig fra spådommene til generell relativitet hvis visse teorier om kvantetyngdekraften er korrekte. Metodene våre er utviklet for å se etter forskjeller i kvaliteten på denne nedringingsfasen, som harmoniske og overtoner, for eksempel.”
Den første artikkelen, ledet av Caltech graduate student Dongjun Li, rapporterer en ny enkelt ligning for å beskrive hvordan sorte hull ville ringe innenfor rammen av visse kvantegravitasjonsteorier, eller i det forskere refererer til som hinside-generelle relativitetsregimet.
Arbeidet bygger på en banebrytende ligning utviklet for 50 år siden av Saul Teukolsky (Ph.D. ’73), Robinson-professoren i teoretisk astrofysikk ved Caltech. Teukolsky hadde utviklet en kompleks ligning for å bedre forstå hvordan krusningene til romtidsgeometrien forplanter seg rundt sorte hull. I motsetning til numeriske relativitetsmetoder, der superdatamaskiner kreves for å samtidig løse mange differensialligninger knyttet til generell relativitet, er Teukolsky-ligningen mye enklere å bruke og, som Li forklarer, gir direkte fysisk innsikt i problemet.
“Hvis man ønsker å løse alle Einstein-ligningene til en svart hull-sammenslåing for å simulere den nøyaktig, må de henvende seg til superdatamaskiner,” sier Li. “Numeriske relativitetsmetoder er utrolig viktige for nøyaktig å simulere sammenslåinger av svarte hull, og de gir et avgjørende grunnlag for å tolke LIGO-data. Men det er ekstremt vanskelig for fysikere å trekke intuisjoner direkte fra de numeriske resultatene. Teukolsky-ligningen gir oss et intuitivt blikk på hva som skjer i ringdown-fasen.”
Li var i stand til å ta Teukolskys ligning og tilpasse den for sorte hull i det hinsides generelle relativitetsregime for første gang. “Vår nye ligning lar oss modellere og forstå gravitasjonsbølger som forplanter seg rundt sorte hull som er mer eksotiske enn Einstein forutså,” sier han.
Den andre artikkelen, publisert i Physical Review Letters, ledet av Caltech graduate student Sizheng Ma, beskriver en ny måte å bruke Lis likning på faktiske data innhentet av LIGO og dets partnere i deres neste observasjonsløp. Denne dataanalysetilnærmingen bruker en serie filtre for å fjerne trekk ved et svart hulls ringing spådd av generell relativitet, slik at potensielt subtile signaturer utenfor generell relativitet kan avsløres.
“Vi kan se etter funksjoner beskrevet av Dongjuns ligning i dataene som LIGO, Jomfruen og KAGRA vil samle inn,” sier Ma. “Dongjun har funnet en måte å oversette et stort sett med komplekse ligninger til bare én ligning, og dette er enormt nyttig. Denne ligningen er mer effektiv og enklere å bruke enn metoder vi brukte før.”
De to studiene utfyller hverandre godt, sier Li. “Jeg var først bekymret for at signaturene ligningen min forutsier ville bli begravd under de mange overtonene og harmoniske; heldigvis kan Sizhengs filtre fjerne alle disse kjente funksjonene, noe som lar oss bare fokusere på forskjellene,” sier han.
Chen la til: “Ved å jobbe sammen kan Li og Ma sine funn betydelig øke samfunnets evne til å undersøke tyngdekraften.”
Mer informasjon:
Dongjun Li et al, Perturbations of Spinning Black Holes beyond General Relativity: Modified Teukolsky Equation, Physical Review X (2023). DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021029
Sizheng Ma et al, Black Hole Spectroscopy by Mode Cleaning, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.141401
Levert av California Institute of Technology
Sitering: Nye metoder vil tillate bedre tester av Einsteins generelle relativitetsteori ved bruk av LIGO-data (2023, 25. mai) hentet 25. mai 2023 fra https://phys.org/news/2023-05-methods-einstein-general-theory- ligo.html
Dette dokumentet er underlagt opphavsrett. Bortsett fra enhver rettferdig handel for formålet med private studier eller forskning, kan ingen del reproduseres uten skriftlig tillatelse. Innholdet er kun gitt for informasjonsformål.