Tilbake i 2017 ringte en gravitasjonsbølge over hele Jorden som den klare tonen fra en bjelle. Det strakte og klemte hver person, maur og vitenskapelig instrument på planeten når det passerte gjennom vår region av verdensrommet. Nå har forskere gått tilbake og studert den bølgen, og funnet skjulte data i den - data som hjelper til med å bekrefte en tiårig gammel astrofysikkidee.
Den 2017-bølgen var en stor sak: For første gang hadde astronomer et verktøy som kunne oppdage og registrere den mens den passerte, kjent som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Den første bølgen var resultatet, fant de av to sorte hull som styrtet sammen langt borte i verdensrommet. Og nå har et team av astrofysikere tatt en ny titt på innspillingen og funnet noe andre trodde ville ta flere tiår å avdekke: presis bekreftelse av "ikke-håret teorem." Dette vesentlige aspektet av teorien om svart hull stammer minst tilbake til 1970-tallet - et teorem som Stephen Hawking berømt tvilte på.
Når fysikere sier at sorte hull ikke har "hår", sa Maximiliano Isi, fysiker ved MIT og hovedforfatter av papiret, mener de at astrofysiske gjenstander er veldig enkle. Sorte hull skiller seg bare fra hverandre på tre måter: hastighet på spinn, masse og elektrisk ladning. Og i den virkelige verden skiller nok ikke sorte hull seg i elektrisk ladning, så de skiller seg egentlig bare når det gjelder masse og spinn. Fysikere kaller disse skallede objektene "Kerr sorte hull."
At hårløshet gjør sorte hull veldig forskjellige fra omtrent alle andre objekter i universet, fortalte Isi til Live Science. Når en ekte bjelle ringer, for eksempel, avgir den lydbølger og noen uoppdagelige, utrolig svake gravitasjonsbølger. Men det er et mye mer komplisert objekt. En bjelle er laget av et materiale, for eksempel (bronse, kanskje, eller støpejern), mens i henhold til nei-hårmodellen er sorte hull alle ensartede entiteter. Hver bjelle har også en noe unik form, mens sorte hull alle er uendelig store, dimensjonsløse punkter i rommet omgitt av sfæriske hendelseshorisonter. Alle disse funksjonene i en bjelle kan oppdages i lyden som en bjelle lager - i hvert fall hvis du vet noe om bjeller og lydbølger. Hvis du på en eller annen måte kunne kjenne en bjells gravitasjonsbølger, ville du oppdage forskjellene i klokkesammensetning og form også i dem, sa Isi.
"Hemmeligheten bak hele denne virksomheten er at bølgeformen - mønsteret med denne tøyningen og klemmingen - koder informasjon om kilden, det som gjorde denne gravitasjonsbølgen," sa han til Live Science.
Og astronomer som studerte 2017-bølgen, lærte mye om kollisjonen i det svarte hullet som ga den, sa Isi.
Men innspillingen var svak, og ikke veldig detaljert. LIGO, den beste gravitasjonsbølgedetektoren i verden, brukte en laser for å måle avstandene mellom speil 4 miles (4 kilometer) fra hverandre i et L-mønster i delstaten Washington. (Jomfruen, en lignende detektor, plukket også opp bølgen i Italia.) Da bølgen rullet over LIGO, fordreide den seg rom-tid og endret så lett den avstanden. Men detaljene om den graviasjonsbølgen var ikke intense nok til at detektorene kunne registrere, sa Isi.
"Men det er som om vi lytter veldig langt borte," sa Isi.
På den tiden tilbød den bølgen mye informasjon. Det sorte hullet oppførte seg som forventet. Det var ingen åpenbare holdepunkter for at den manglet en hendelseshorisont (regionen utenfor noe lys ikke kan unnslippe), og at den ikke avviker dramatisk fra teoremet om ikke-hår, sa Isi.
Men forskere kunne ikke være veldig sikre på mange av disse punktene, særlig ikke-håret teorem. Den enkleste delen av bølgeformen å studere, sa Isi, kom etter at de to svarte hullene slo seg sammen til ett større svart hull. Det fortsatte å ringe en stund, veldig mye som en slått klokke, og sendte overflødig energi ut i verdensrommet som gravitasjonsbølger - det astrofysikere kaller "ringdown" -prosessen.
På den tiden oppdaget forskere som så på LIGO-data bare en bølgeform i avslutningen. Forskere trodde det ville ta flere tiår å utvikle instrumenter som er følsomme nok til å plukke opp noen roligere overtoner i ringdown. Men en av Isis kolleger, Matt Giesler, en fysiker ved California Institute of Technology, regnet ut at det var en kort periode rett etter kollisjonen der nedtrappingen var intens nok til at LIGO registrerte mer detaljer enn vanlig. Og i de øyeblikkene var bølgen høy nok til at LIGO plukket opp en overtone - en andre bølge med en annen frekvens, omtrent som de svake sekundærnotene som blir ført i lyden av en slått klokke.
I musikkinstrumenter bærer overtoner mesteparten av informasjonen som gir instrumenter sine særegne lyder. Det samme gjelder overtonene til en gravitasjonsbølge, sa han. Og denne nylig avdekket overtonen tydeliggjorde dataene om det ringende svart hullet mye, sa Isi.
Det viste, sa han, at det sorte hullet i det minste var veldig nært et Kerr-svart hull. Teoremet uten hår kan brukes til å forutsi hvordan overtonen vil se ut; Isi og teamet hans viste at overtonen stort sett stemte med den spådommen. Innspillingen av overtone var imidlertid ikke veldig tydelig, så det er fremdeles mulig at tonen var noe annerledes - med omtrent 10% - fra hva teoremet ville forutsi ...
For å komme over det presisjonsnivået, sa han, må du trekke ut en klarere overtone fra bølgeformen til et kollisjon i svart hull, eller bygge et mer følsomt instrument enn LIGO, sa Isi.
"Fysikk handler om å komme nærmere og nærmere," sa Isi. "Men du kan aldri være sikker."
Det er til og med mulig at signalet fra overtone ikke er reelt, men skjedde med en tilfeldighet på grunn av tilfeldige svingninger i dataene. De rapporterte om en "3,6 confidence tillit" i overtonens eksistens. Det betyr at det er omtrent 1 til 6.300 sjanser for at overtone ikke er et sant signal fra det sorte hullet.
Når instrumentene forbedrer seg og flere gravitasjonsbølger blir oppdaget, bør alle disse tallene bli mer selvsikre og presise, sa Isi. LIGO har allerede vært gjennom oppgraderinger som har gjort detektering av svart hull kollisjoner ganske rutinemessig. En annen oppgradering, planlagt i midten av 2020, skulle øke følsomheten ti ganger, ifølge Physics World. Når den rombaserte Laserinterferometer Space Antenna (LISA) ble lansert på midten av 2030-tallet, skal astronomer være i stand til å bekrefte hårløsheten i sorte hull til grader av sikkerhet umulig i dag.
Imidlertid, Isi sa, det er alltid mulig at sorte hull ikke er helt skallede - de kan ha en kvante ferskenfuzz som er enkel for myk og kort til at instrumentene våre kan plukke opp.
