Quando due buchi neri si scontrano, si fondono in un buco nero più grande e suonano come una campana suonata, inviando increspature nello spazio e nel tempo chiamate onde gravitazionali. Incorporate in queste onde gravitazionali ci sono frequenze specifiche, o toni, che sono simili alle singole note in un accordo musicale.

Ora, i ricercatori hanno rilevato per la prima volta due di questi toni nel "ringdown" di un buco nero appena formato. In precedenza, si presumeva che si potesse misurare un solo tono e che toni aggiuntivi, chiamati armonici, sarebbe troppo debole per essere rilevato con le tecnologie odierne.

"Prima, era come se stessi cercando di abbinare il suono di un accordo di una chitarra usando una sola corda, "dice Matthew Giesler, uno studente laureato al Caltech e secondo autore di un nuovo studio che dettaglia i risultati nel numero del 12 settembre di Lettere di revisione fisica . Giesler è l'autore principale di un articolo correlato inviato a Physical Review X sulla tecnica utilizzata per trovare i toni.

I risultati, che si basavano sulla rianalisi dei dati acquisiti dal LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) della National Science Foundation, hanno messo la teoria della relatività generale di Albert Einstein a un nuovo tipo di prova. Perché la fusione dei buchi neri sperimenta una gravità schiacciante, gli studi di questi eventi consentono ai ricercatori di testare la teoria della relatività generale in condizioni estreme. In questo caso particolare, i ricercatori hanno testato una previsione specifica della relatività generale:che i buchi neri possono essere completamente descritti solo dalla loro massa e velocità di rotazione. Ancora una volta, Einstein ha superato il test.

"Questo tipo di test era stato proposto molto prima del primo rilevamento, ma tutti si aspettavano che avrebbe dovuto aspettare molti anni prima che i rivelatori fossero abbastanza sensibili, " dice Saul Teukolsky (Ph.D. '73), il Robinson Professor di Astrofisica Teorica al Caltech e consigliere di Giesler. "Questo risultato mostra che possiamo iniziare a fare il test già con i rilevatori di oggi includendo i toni, un risultato inaspettato ed entusiasmante."

LIGO ha fatto la storia nel 2015 quando ha effettuato la prima rilevazione diretta di onde gravitazionali, 100 anni dopo che Einstein li aveva predetti per la prima volta. Da allora, LIGO e il suo osservatorio partner con sede in Europa, Vergine, hanno rilevato quasi 30 eventi di onde gravitazionali, che vengono ulteriormente analizzati. Molte di queste onde gravitazionali sono sorte quando due buchi neri si sono scontrati, mandando fremiti nello spazio.

"Un nuovo buco nero si forma da un violento processo astrofisico e quindi è in uno stato agitato, " dice Maximiliano (Max) Isi (Ph.D. '18), autore principale di Lettere di revisione fisica studio, ora al MIT. "Però, si perde rapidamente questa energia in eccesso sotto forma di onde gravitazionali."

Come parte del lavoro di laurea di Giesler, ha iniziato a indagare se i toni potrebbero essere rilevati negli attuali dati di onde gravitazionali oltre al segnale principale, o tono, anche se la maggior parte degli scienziati credeva che queste sfumature fossero troppo deboli. Ha esaminato in particolare le simulazioni del primo rilevamento di onde gravitazionali da parte di LIGO, da un evento di fusione di buchi neri noto come GW150914.

Durante la fase finale della fusione, un periodo di tempo noto come ringdown, il buco nero appena unito sta ancora tremando. Giesler scoprì che le sfumature, che sono rumorosi ma di breve durata, sono presenti in una fase precedente del ringdown rispetto a quanto precedentemente realizzato.

"Questo è stato un risultato molto sorprendente. La saggezza convenzionale era che nel momento in cui il buco nero residuo si fosse stabilizzato in modo che qualsiasi tono potesse essere rilevato, i toni sarebbero decaduti quasi completamente, "dice Teukolsky, che è anche professore di fisica alla Cornell University. "Anziché, si scopre che gli armonici sono rilevabili prima che il tono principale diventi visibile."

Le nuove sfumature hanno aiutato i ricercatori a testare il teorema "senza capelli" per i buchi neri:l'idea che non ci siano altre caratteristiche, o "peli, " necessario per definire un buco nero diverso da massa o spin. I nuovi risultati confermano che i buchi neri non hanno peli, ma gli scienziati sospettano che i futuri test della teoria, in cui vengono utilizzate osservazioni ancora più dettagliate per sondare le fusioni di buchi neri, può mostrare diversamente.

"La teoria di Einstein potrebbe crollare se ci fossero effetti quantistici in gioco, "dice Giesler.

"La teoria della gravità di Newton supera molti test in cui la gravità è debole, ma fallisce completamente quando si tratta di descrivere la gravità nella sua forma più estrema, come quando si tratta di descrivere la fusione dei buchi neri. Allo stesso modo, mentre alla fine sonderemo il segnale dai buchi neri con crescente precisione, è possibile che anche la relatività generale possa un giorno fallire il test."

Nei prossimi anni, gli aggiornamenti previsti a LIGO e Virgo renderanno gli osservatori ancora più sensibili alle onde gravitazionali, rivelando toni più nascosti.

"Più grande e rumoroso è un evento, più è probabile che LIGO riesca a cogliere queste sfumature, "dice Alan Weinstein, professore di fisica al Caltech e membro del Laboratorio LIGO, che non è associato a questo studio. "Con il primo rilevamento di onde gravitazionali da parte di LIGO, abbiamo confermato le previsioni fatte dalla relatività generale. Ora, cercando sfumature, e anche segnali più deboli chiamati modalità di ordine superiore, stiamo cercando test più approfonditi della teoria, e anche potenziali prove della rottura della teoria."

dice Isi, "Poco per volta, i buchi neri sveleranno i loro misteri, rivoluzionando la nostra comprensione della gravità, spazio, E tempo."