Sciencemag.cz
Doporučujeme
Událost začala, když se dvě černé díry začaly vzájemně přibližovat ve spirále smrti.
Americkým fyzikům, kteří pracují na detektoru LIGO, se podařilo už potřetí zaregistrovat gravitační vlny. Vznikly spojením dvou černých děr o hmotnosti 31 a 19 Sluncí ve vzdálenosti tří miliard světelných let od Země. Podle vědců jde o první případ, kdy by spin jedné ze spojujících se děr mohl mít opačný směr, než je orbitální rotace černé díry.
Vědci zachytili signál z dosud nejvzdálenějšího spojení černých děr (první dvě spojení proběhla ve vzdálenosti 1,3 a 1,4 miliardy světelných let). Případ označený jako GW170104 byl pozorován 4. ledna letošního roku. Na obou detektorech ve Washingtonu i v Louisianě trval kolem desetiny sekundy.
Detektory už jsme popisovali při prvním slavném objevu gravitačních vln, proto jen pro připomenutí základní údaje: Jde o obří interferometry, z nichž každý sestává ze dvou vzájemně kolmých ramen dlouhých 4 km. Laserový paprsek putuje mezi zrcadly na koncích ramen a část záření je vyslána na detektor, kde dochází k interferenci. Když detektorem LIGO prochází gravitační vlna, jedno rameno se slabounce prodlouží a druhé zkrátí, čímž se změní měřená interference a gravitační vlny se měří v reálném čase.
Nově pozorovaná událost začala, když se obě černé díry začaly vzájemně přibližovat ve spirále smrti. Jelikož systém rotuje, vysílá gravitační vlny, které se šíří vesmírem. Některé z nich se dostanou na Zemi. Signály zachycené na obou detektorech byly provázeny charakteristickým „cvrlikáním“ a „zvoněním“, stejným jako v předcházejících dvou případech. Cvrlikání charakterizuje rychlý růst frekvence a amplitudy gravitačních vln, které jsou vysílány těsně před spojením černých děr. Zvonění pochází od gravitačních vln, které jsou vysílány nesférickými splývajícími černými děrami během jejich změny na sférické.
Vizualizace spojení černých děr a šíření gravitační vln (Zdroj: NASA / Bernard J. Kelly, Chris Henze, Tim Sandstrom)
Studiem těchto signálů fyzici určili hmotnosti původních černých děr na 31 a 19 hmotností Slunce. Hmotnost výsledné černé díry je 49 Sluncí, zbytek se vyzářil ve formě gravitačních vln.
Další klíčovou informací, kterou gravitační vlny poskytují, je uspořádání vnitřních úhlových hybností (neboli spinů) černých děr. Černé díry se navzájem obíhají a současně se každá může otáčet i kolem své vlastní osy, podobně jako naše Země. Po splynutí nemůže celková rotační rychlost výsledné černé díry přesáhnout určitou horní hranici. Pokud spiny obou spojujících se černých děr míří stejným směrem jako orbitální spin, určitá část orbitální úhlové hybnosti musí být vyzářena dodatečnými gravitačními vlnami, jinak by kritérium horní hranice rotační rychlosti nebylo splněno.
Údaje z prvního spojení černých děr (GW150914) zaznamenaného v roce 2015 napovídají, že spiny obou černých děr mířily stejným směrem jako orbitální úhlová hybnost. V případě druhého pozorování gravitačních vln (GW151226), ke kterému došlo minulý rok, existují určité faktory ukazující, že spin jedné z černých děr mohl směřovat pod určitým úhlem k orbitální úhlové hybnosti, ale měl i určitou složku, která byla s orbitální úhlovou hybností shodná. V posledním aktuálním případě (GW170104) je však možné, že spin alespoň jedné z černých děr směřoval pod určitým úhlem a měl složku s opačným směrem, než je orbitální úhlová hybnost.
Relativní orientace spinu a orbitální úhlové hybnosti binární černé díry poskytuje důležité informace o tom, jak se systém formoval. Pokud jsou hodnoty vyrovnané, je pravděpodobné, že se systém vyvíjel izolovaně jako dvě velké hvězdy, které nakonec zkolabovaly a vytvořily binární černou díru. Nevyrovnanost napovídá, že se černé díry vyvíjely izolovaně a potom se setkaly, aby vytvořily binární systém. V současnosti existuje řada modelů pro popis formování binárních černých děr, které bude díky novým údajům možné dále zpřesňovat.
Třetí pozorování gravitačních vln dovolilo fyzikům stanovit další omezení modelů, jejichž cílem je modifikovat Einsteinovu obecnou teorii relativity. Einstein předpověděl, že rychlost gravitačních vln při šíření prázdným prostorem je nezávislá na jejich frekvenci. Takže jakákoliv odchylka od konstantní hodnoty by mohla napovědět, že existuje frekvenční závislost signálu gravitačních vln. Taková závislost však nebyla zaznamenána, přestože pozorované vlny urazily vesmírem tak dlouhou vzdálenost. Vypadá to tedy, že obecná teorie relativity platí a Einstein měl zřejmě pravdu.
Práce byla uveřejněna v Physical Review Letters a více najdete v Multimessenger Astronomy.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz.
