Viharos hullámokat vet a téridő az összeolvadó fekete lyukaknál

Hogyan festene a fekete lyukak összeolvadása, ha a téridőt is láthatnánk? A viharos jelenséget minden korábbinál részletesebben modellezték.

Ahogyan a tenger hullámok nélkül nem mutatja meg igazi erejét, ugyanúgy a téridő jellemzői is nehezen ismerhetők meg ott, ahol az nem vet nagy hullámokat - jellemezte egy hasonlattal Kip Thorne (CALTECH), a kutatóprogram vezetője munkájuk jelentőségét.

A szakember kollégáival együtt arra volt kíváncsi, hogy milyen gravitációs hullámok indulnak el két fekete lyuk ütközésekor. Közismert, hogy a fekete lyukak nem bocsátanak ki semmilyen sugárzást. Környezetükben eltorzítják a téridőt, és így a mellettük elhaladó fénysugarak haladását is - ennek megfelelően az optikai tartományban hatásuk közvetett módon kimutatható, ha elég közel vagyuk egy ilyen objektumhoz. Az ekkor várhatóan jelentkező szokatlan látványt nemrég mutattuk be egy számítógépes szimulációval.

A fekete lyukak megfigyelésére a gravitációs hullámok segítségével nyílhat lehetőség a jövőben. Noha a szakemberek már évek óta próbálkoznak a gravitációs hullámok azonosításával, eddig még nem jártak sikerrel - azonban az elméleti előrejelzések alapján hamarosan megtalálják őket. Ezúttal a legfeltűnőbb gravitációs hullámokat keltő egyik folyamatot, két fekete lyuk összeolvadását modellezték.

Az alábbiakban az új szuperszámítógépes szimulációval létrehozott ábrák láthatóak, amelyek vizuális benyomást is nyújtanak arról, milyen lehet a téridő alakja egy, illetve két, éppen összeolvadt fekete lyuk környezetében. Az ábrákon mutakozó vonalak a mágneses tér erővonalaira emlékeztetnek, de azok itt a gravitációs tér pontjait jellemzik.

Két fekete lyuk frontális ütközésekor keletkező gravitációs hullámok mintázata (The Caltech/Cornell SXS Collaboration)

A szuperszámítógépes szimulációk alapján fekete lyukak frontális ütközésekor "fánk alakú" hullámok keletkeznek. Ezzel ellentétben, ha két fekete lyuk spirális pályán jut fokozatosan egyre közelebb egymáshoz, a végül összeolvadt fekete lyukak körül spirális mintázatú gravitációs hullámok keletkeznek. A jelenség eredményeként, az összeolvadással keletkező egyetlen fekete lyuk forgása gyors lehet, ami szintén eltorzítja a téridőt.

Két egymás felé spirálozó fekete lyuk útja végén összeolvad, és egyetlen gyorsan pörgő fekete lyukat alkothat. Utóbbi körül ábrázolják a gravitációs tér szerkezetét a fenti erővonalak (The Caltech/Cornell SXS Collaboration)

A most készített modellek megkönnyíthetik a gravitációs hullámok kimutatását napjainkban és a következő években épülő gravitációshullám-detektorok segítségével, mivel így pontosabban fel lehet készülni a várható hullámok viselkedésére. A kutatómunka eredményei annak jobb megértésében is segítenek, hogy a Világegyetemben a keletkezés után milyen extrém állapotok uralkodtak, illetve jelenleg milyen viszonyok vannak a galaxisok centrumában lévő szupernagytömegű fekete lyukak közelében, továbbá a gyorsan forgó fekete lyukaknál.

Szimuláció két fekete lyuk frontális ütközéséről (CATLECH)

Szimuláció két fekete lyuk spirális mozgással történő összeolvadásáról (CALTECH)