Lubang hitam yang bertabrakan dapat menyanyikan lagu gravitasi yang berbeda

Apa suara dua lubang hitam yang bertabrakan? Beberapa di antaranya berkicau. Namun lubang hitam yang sangat besar dan berputar cepat – seperti yang ditampilkan dalam film “Interstellar” – dapat menciptakan lagu yang lebih dinamis.

Tabrakan lubang hitam sebenarnya tidak menciptakan gelombang suara, namun gelombang gravitasi – distorsi terhadap ruang-waktu, struktur realitas itu sendiri. Pada bulan Februari, para ilmuwan yang bekerja sama dengan Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) mengumumkan deteksi langsung gelombang gravitasi yang pertama.

Untuk membantu masyarakat umum memahami sinyal yang terdeteksi LIGO, para peneliti mengubah data menjadi gelombang suara. Saat lubang hitam berputar satu sama lain semakin cepat, nada suaranya semakin meningkat, seperti peluit. Tabrakan terakhir menghasilkan kicauan bernada tinggi (dengarkan ini), lalu suaranya tiba-tiba terputus — lagunya terhenti karena kedua lubang hitam itu menjadi satu. (Pencarian gelombang gravitasi dalam gambar)

Lagu kosmik sederhana ini mungkin bukan satu-satunya musik yang mampu dihasilkan oleh pemancar gelombang gravitasi ini. Pada Pertemuan April American Physical Society, yang diadakan pada 16-19 April di Salt Lake City, Niels Warburton, rekan pascadoktoral di MIT Kavli Institute, membahas simulasi yang menunjukkan “lagu” gelombang gravitasi seperti apa yang seharusnya dihasilkan oleh tabrakan yang mencakup lubang hitam . yang berputar lebih cepat dan jauh lebih besar daripada yang terdeteksi oleh LIGO.

Tabrakan ekstrim

Untuk menggambarkan penelitian baru ini, Warburton menggunakan lubang hitam Gargantua dari film “Interstellar” sebagai contoh. Dalam film tersebut, sebuah planet yang mengorbit lebih dekat dengan monster ini mengalami pelebaran waktu yang ekstrim, sehingga satu jam di permukaan planet tersebut sama dengan tujuh tahun di pesawat luar angkasa yang berada di dekatnya.

Ahli astrofisika Kip Thorne (yang juga merupakan anggota pendiri LIGO) sangat terlibat dalam film dan sains di dalamnya. Dia menulis dalam bukunya “Ilmu Antarbintang“Untuk menyebabkan tingkat pelebaran waktu yang digambarkan dalam film, lubang hitam harus berputar hampir kecepatan tercepat yang mungkin yang diyakini para ilmuwan mungkin terjadi pada lubang hitam. Lebih khusus lagi, “1 bagian dalam 100 triliun kurang dari tingkat maksimum yang diperbolehkan,” kata Warburton.

(Meskipun tidak terbukti secara nyata, diperkirakan bahwa jika sebuah lubang hitam berputar lebih cepat dari kecepatan maksimumnya, horizon peristiwanya akan menyusut hingga meninggalkan singularitas, kata Warburton—suatu hasil yang sampai saat ini tidak dapat ditentang oleh model fisik. .)

Untuk penelitian mereka, Warburton dan rekan-rekannya mengamati lubang hitam sangat masif yang berputar sedikit lebih lambat dari Gargantua – hanya sekitar 99,99 persen dari kecepatan teoritis maksimum. Sains ‘Antarbintang’: Penjelasan Lubang Hitam dalam Film (Video )

Sebelum lubang hitam bertabrakan, mereka berputar mengelilingi satu sama lain dan semakin mendekat. Satu lubang hitam akan mengelilingi lubang hitam lainnya hingga mencapai titik yang dikenal sebagai orbit stabil terendah, setelah itu lubang hitam tersebut akan “runtuh” ​​ke lubang hitam pendampingnya, jelas Warburton.

Namun semakin cepat lubang hitam berputar, semakin dekat orbit stabil terendah tersebut ke cakrawala peristiwanya, atau titik di mana tidak ada sesuatu pun (bahkan cahaya) yang dapat lolos, katanya. Dan penelitian mereka menunjukkan bahwa ketika lubang hitam pendampingnya berada sangat dekat dengan pendampingnya, gelombang gravitasi yang dipancarkan oleh pasangan tersebut sangat berbeda dari yang diperkirakan.

Kedua lubang hitam yang diamati oleh LIGO bergabung dan menghasilkan “kicauan” – yaitu, frekuensi sinyal meningkat secara bertahap, kemudian tiba-tiba terputus ketika kedua objek digabungkan. Namun Warburton dan rekan-rekannya telah menunjukkan bahwa lubang hitam yang berputar dengan cepat menghasilkan sinyal yang mencapai frekuensi puncak, kemudian frekuensinya mulai menurun, sebelum menghilang.

“Alih-alih berkicau, Anda mendapatkan suara nyanyian seperti ini dari lubang hitam,” kata Warburton. “Ia akan berdiri, tidak akan terpotong, ia akan bernyanyi, dan pada akhirnya menjadi sunyi.”

“(Ini) tanda gelombang gravitasi yang sangat berbeda…dari apa yang terdeteksi (oleh LIGO),” katanya. Jika detektor gelombang gravitasi menangkap sinyal yang terlihat seperti yang dijelaskan oleh model para peneliti, “Anda akan tahu bahwa Anda sedang melihat sistem raksasa, sesuatu yang berputar sangat dekat dengan maksimum,” katanya.

Hal ini bertentangan dengan apa yang diharapkan para ilmuwan dari penggabungan yang melibatkan lubang hitam yang berputar sangat cepat, menurut Jolyon Bloomfield, dosen di MIT, yang mempresentasikan penelitiannya pada konferensi pers yang sama.

“Sungguh sangat tidak terduga melihat sesuatu yang tidak berkicau,” kata Bloomfield ketika ditanya pada konferensi pers apa pendapatnya tentang hasilnya. “Setiap template yang kami lihat sejauh ini… memiliki fitur kicau yang indah, dan kami hanya berasumsi bahwa (jika kami) membuat (putaran lubang hitam) lebih besar… kicauannya lebih besar. Tapi ini cukup menarik pekerjaan yang mengatakan tidak, kicauannya benar-benar hilang.

Mencari lagu gravitasi

Karya yang disajikan oleh Warburton terutama berfokus pada skenario yang melibatkan lubang hitam yang jutaan kali lebih besar dari matahari, berputar sangat cepat dan bertabrakan dengan lubang hitam pendamping yang jauh lebih kecil – sesuatu yang sepuluh kali massa matahari. Mendeteksi sinyal-sinyal ini memerlukan detektor gelombang gravitasi yang sangat besar seperti misi eLISA Badan Antariksa Eropa, yang dijadwalkan diluncurkan pada tahun 2030-an. Namun, Warburton mengatakan bahwa beberapa lagu gelombang gravitasi aneh ini mungkin juga diciptakan oleh dua lubang hitam berukuran sedang, dan sinyal tersebut berpotensi dideteksi oleh LIGO.

Akankah detektor gelombang gravitasi menangkap sinyal yang diciptakan oleh lubang hitam yang berputar super cepat ini? Warburton mengatakan skenario seperti itu bergantung pada seberapa umum benda-benda ini ada di alam semesta.

“Ada argumen teoretis yang menyatakan 99,8 persen adalah kecepatan paling maksimum yang bisa Anda temukan,” kata Warburton. “Tetapi hingga gelombang gravitasi terdeteksi baru-baru ini, orang mengira bahwa lubang hitam terbesar yang Anda lihat hanya berukuran 15 massa matahari. Dan lubang hitam (lubang hitam yang dilihat LIGO) berukuran dua kali lipat: 30 massa matahari.”

“Jadi hal-hal ini mungkin tidak umum terjadi di alam semesta,” katanya. “Tetapi ketika Anda melakukan analisis data gelombang gravitasi, Anda harus mengetahui terlebih dahulu apa yang Anda cari… Jadi kami menunjukkan apa yang harus dicari dalam aliran data untuk mendeteksi objek-objek eksotis ini.”

Penelitian baru ini juga dapat membantu menjelaskan bagaimana lubang hitam yang sangat masif terbentuk, kata Warburton, karena putaran suatu benda dapat menunjukkan bagaimana ia memperoleh massanya. Jika lubang hitam masif terbentuk dari penggabungan lubang hitam yang lebih kecil, kecepatan putarannya seharusnya tidak terlalu tinggi, katanya.

Makalah yang menjelaskan penelitian ini tersedia di situs akses terbuka arXive.org, dan makalah tersebut telah diserahkan untuk dipublikasikan, menurut Warburton.

Artikel asli tentang Luar Angkasa.com.