ブラックホール合体の反響するリングはアインシュタイン理論を試すのに役立つ可能性がある

エレン11 / iStock

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科学者たちは長い間、アインシュタインの一般相対性理論を、量子重力の統一理論における量子力学の世界の理解と組み合わせることを目指してきました。

この統一理論の構築に近づくために、科学者は相対性理論をテストし続けなければなりません。

今回、カリフォルニア工科大学の科学者らによる 2 つの新しい論文では、科学理論の聖杯に一歩近づけるために、ブラック ホールの構造とブラック ホールが生成する重力波をどのように観察できるかについて詳しく説明されています。

カリフォルニア工科大学の科学者らは、ブラックホールの観測結果を分析して、量子重力の存在を示唆する可能性のある一般相対性理論からの小さな逸脱を見つけることを目指している。

Physical Review X および Physical Review Letters に掲載された論文は、ブラック ホールのリングに焦点を当てています。 これらは、ブラック ホールの特徴的な降着円盤を指すのではなく、合体中にブラック ホールが互いに衝突するときの、ブラック ホールのゴングのような輪を指します。

「2つのブラックホールが合体してより大きなブラックホールが生成されるとき、最後のブラックホールは鐘のように鳴り響く」とカリフォルニア工科大学物理学教授で両研究の共著者であるヤンベイ・チェン氏はプレス声明で説明した。 「特定の量子重力理論が正しければ、リンギングの質、またはその音色は一般相対性理論の予測とは異なる可能性があります。私たちの方法は、高調波や高調波など、このリンギング段階の質の違いを探すように設計されています。たとえば倍音とか。」

2 つの新しい論文のうちの 1 つ目では、特定の量子重力理論に基づいてブラック ホールがどのように鳴るかを説明する新しい単一の方程式について詳しく説明しています。 この研究は、50 年前にカリフォルニア工科大学のソール・トイコルスキー氏が開発した方程式に基づいており、時空幾何学がブラック ホールによってどのような影響を受けるかを理解するプロセスを簡素化しました。

「ブラックホール合体を正確にシミュレートするために、アインシュタイン方程式をすべて解いたければ、スーパーコンピューターに頼らなければなりません」と、大学院生でこの新しい論文の共同主任を務めるドンジュン・リー氏は言う。 「数値相対性理論は、ブラックホール合体を正確にシミュレートするために非常に重要であり、LIGO データを解釈するための重要な基盤を提供します。しかし、物理学者にとって、数値結果から直接直観を引き出すことは非常に困難です。トイコルスキー方程式は、私たちに直感的な見方を与えてくれます。リングダウンフェーズで何が起こっているのか。」

「私たちの新しい方程式により、アインシュタインの予測よりもエキゾチックなブラックホールの周りを伝播する重力波をモデル化して理解することができます」と彼は続けた。

一方、2番目の論文は、最近4回目の観測を開始したレーザー干渉重力波観測所（LIGO）によって取得された重力波データにDongjunの方程式を適用する方法について説明しています。

新しい方法では、フィルターを使用して、一般相対性理論によって予測されるブラック ホールのリンギングの特徴を除去します。 これにより、科学者らは量子重力に関連する微妙な兆候を検出できるようになると期待している。

「私は最初、方程式が予測する特徴が複数の倍音や倍音の下に埋もれてしまうのではないかと心配していました。幸いなことに、Sizheng のフィルターはこれらの既知の特徴をすべて除去できるため、違いだけに焦点を当てることができます」と Dongjun 氏は述べています。

チェン氏は、「協力すれば、リー氏とマー氏の発見により、私たちのコミュニティの重力探査能力が大幅に向上する可能性がある」と付け加えた。