Analiza undelor gravitaționale restrânge căutarea „impostorilor” găurilor negre
Un semnal de unde gravitaționale detectat în octombrie 2024 de detectoarele LIGO Hanford și Virgo le-a oferit cercetătorilor ocazia de a testa dacă obiectul compact mai masiv implicat într-o fuziune cosmică este într-adevăr o gaură neagră sau un obiect exotic cu o semnătură similară.
Rezultatele, publicate în Physical Review Letters, arată că obiectul principal din evenimentul GW241011 este compatibil cu o gaură neagră Kerr — o gaură neagră rotativă ale cărei proprietăți sunt determinate exclusiv de masa și spinul său. Analiza exclude mai multe clase de alternative exotice, dar lasă deschisă posibilitatea ca obiectul să fie un alt tip de corp compact suficient de dens.
Găurile negre sunt regiuni ale spațiu-timpului în care gravitația este atât de puternică încât nimic, nici măcar lumina, nu poate scăpa. Când două astfel de obiecte orbitează unul în jurul celuilalt și fuzionează, ele emit unde gravitaționale — ondulații ale spațiu-timpului care pot semăna cu cele produse de fuziuni ce implică alte obiecte compacte exotice.
Pentru a le distinge, cercetătorii au folosit o proprietate numită moment cvadrupolar indus de spin, care descrie modul în care rotația deformează distribuția de masă a unui obiect față de o sferă perfectă. Această deformare depinde de structura internă a obiectului și lasă o amprentă caracteristică asupra undelor gravitaționale emise în timpul inspiralului binar.
Metoda a fost propusă inițial în 2017, pornind de la o întrebare fundamentală: în relativitatea generală, găurile negre sunt complet caracterizate de masă și spin, în timp ce obiectele compacte exotice — precum stelele de bosoni — pot avea o structură suplimentară care le modifică momentele multipolare.
GW241011 a fost un candidat ideal pentru aplicarea acestei metode. Calculele sugerează că cele două obiecte care au fuzionat aveau mase de aproximativ 19,6 și 5,9 mase solare, iar obiectul mai masiv prezenta un spin adimensional de aproximativ 0,78. Asimetria mare de masă, spinul rapid al obiectului principal și raportul semnal-zgomot de circa 36 în rețeaua de detectoare au permis măsurarea momentului cvadrupolar indus de spin cu o precizie fără precedent.
Cercetătorii au combinat cunoștințe teoretice și simulări numerice cu analiza datelor, folosind estimarea bayesiană a parametrilor și modele de forme de undă care permiteau fiecărui obiect să aibă un moment cvadrupolar independent de valoarea prezisă pentru o gaură neagră Kerr. Astfel, în loc să presupună de la început că obiectul principal este o gaură neagră, au lăsat datele să indice cât de mult poate diferi structura sa multipolară de predicția pentru o gaură neagră.
Rezultatele arată că stelele de bosoni rotative cu autointeracțiuni cuartice au momente cvadrupolare incompatibile cu datele înregistrate de LIGO Hanford și Virgo, ceea ce exclude posibilitatea ca obiectul principal din GW241011 să fie un astfel de model. În același timp, obiecte exotice suficient de compacte, cu o compactitate C≳0,24, rămân compatibile cu datele.
Măsurătorile nu dovedesc că obiectul este o gaură neagră, deoarece alternativele suficient de compacte nu pot fi încă eliminate. Rezultatul restrânge însă spațiul posibilelor alternative, oferind o modalitate nouă de a investiga structura internă a obiectelor compacte.
Pe măsură ce detectoarele de unde gravitaționale devin mai sensibile — cu o a cincea rundă de observații și detectoare de generația a treia planificate, alături de observatoare spațiale precum LISA —, măsurători viitoare ar putea impune constrângeri mai puternice asupra alternativelor exotice la găurile negre și ar putea chiar releva dovezi ale unor forme noi de materie compactă.
