Kolize černých děr pomáhají studentce Fyzikálního ústavu v Opavě ověřit nové teorie gravitace

Antonina Zinhalio, která pochází z Ukrajiny, se rozhodla studovat fyziku a astrofyziku na Fyzikálním ústavu v Opavě v roce 2017, a hned ji zaujaly  černé díry. V současné době už  dokončuje doktorandské studium, během něhož se zabývala fyzikou černých děr. Ke své disertační práci dodává: „Zkoumám dva konkrétní jevy: signál gravitačních vln pocházejících ze splynutí  černých děr, kterému dominují takzvané kvazinormální módy, a pak známé Hawkingovo záření, které předpověděl a popsal legendární astrofyzik Stephen Hawking již v roce 1971.“

Alternativní teorie gravitace

V rámci obecné teorie relativity nemůžeme odpovědět na některé zásadní otázky. Například nedokážeme přesně popsat singularitu černé díry nebo vytvořit konzistentní kvantovou teorie gravitace (ožehavé téma v moderní fyzice). Také při řešení problémů skryté látky či skryté energie (nekorektně nazývané temná hmota a temná energie) současná teorie gravitace selhává. Právě hledání odpovědí na tyto nové otázky dovedlo fyziky ke vzniku nových alternativních teorií gravitace.

Na druhou stranu ale v poslední době roste zájem o studium gravitačních poruch černých děr. Velkou měrou k tomu přispěla pozorování signálu gravitačních vln při splynutí dvou černých děr prostřednictvím projektů „gravitačních observatoří“ LIGO a VIRGO. Výsledky jejich pozorování jsou s velkou přesností v souladu s obecnou teorií relativity. Moment hybnosti a hmotnost nově vzniklé černé díry jsou však určeny ze zákonů zachování a mají značnou nejistotu, dokonce v desítkách procent. Právě tyto odchylky ponechávají „zadní vrátka“ pro alternativní teorie gravitace, tedy takové, které vycházejí ze skutečnosti, že slavná Einsteinova teorie nepopisuje všechny problémy teorie gravitace.

Kvazinormální módy

Jednou z pozorovatelných etap při detekci gravitačních vln ze splynutí černých děr jsou tzv. kvazinormální módy. „Jsou to frekvence gravitačních vln s nejdelší životností, které převládají v signálu vysílaném obíhajícími černými děrami v pozdnějších fázích splynutí. A jsou pozorovány právě těmi detektory LIGO a VIRGO,“ popisuje Zinhailo. Dodává, že předpona „kvazi“ znamená, že slábnou, postupem času se rozkládají.

„Všechna tělesa s hmotností, tedy i my, emitují za jistých podmínek gravitační vlny. Tyto vlny jsou příliš slabé na to, aby je bylo možné detekovat. U velmi hmotných objektů, jako jsou černé díry, je však můžeme změřit. A právě analýzou tohoto signálu můžeme odhadnout parametry černé díry, například hmotnost, náboj nebo moment hybnosti,“ upřesňuje Zinhailo.

Projev gravitačních vln

Signál gravitačních vln ze systému splývajících černých děr se skládá ze tří etap. První etapa je počáteční impulz během samotného splynutí černých děr. Závisí na procesu perturbace (tedy změny dráhy kvůli gravitační poruše) a o samotné černé díře nám toho mnoho neřekne. Druhá etapa je přesně to, co studujeme. Skládá se ze sady tlumených kvazinormálních módů. Tyto módy nezávisí na procesu perturbace, ale pouze na parametrech černé díry. Poslední etapa jsou tzv. asymptotická selhání, tedy závěrečný dozvuk gravitačních vln, jako když se uklidňuje vodní hladina po dopadu kamínku na její povrch. Jsou to slabé vlny a zatím je nelze pozorovat.

„Ve své výzkumné práci počítám kvazinormální módy velkého počtu modelů splynutí černých děr v různých teoriích gravitace. Moje práce je zaměřena na teorie Einsteinovy gravitace s kvantovými korekcemi. Zjistila jsem, že pozorované spektrum takových korigovaných modelů splynutí černých děr je obvykle zcela odlišné od toho, které teoreticky předpovídal Einstein. Jedna z teorií by mohla být novější a přesnější teorie gravitace. Potvrzení ale vyžaduje čas a přesnější pozorovací data,“ doplňuje doktorandka.

Hawkingovo záření

Klasická černá díra nevyzařuje vůbec nic, ani světlo. Ale když se podíváme na černou díru očima kvantové fyziky, zjišťujeme, že páry částice-antičástice vytvořené v blízkosti horizontu událostí jistý typ emise vytvářejí. Když totiž spadne do černé díry antičástice, jako důsledek interakce je vyzářena pryč částice. Tento proces je velmi pomalý a současná pozorovací technologie na něj není dostatečně citlivá. V dlouhém časovém intervalu by však mohlo být možné vypařování černé díry pozorovat. „Vypařování“ zde znamená, že černá díra ztrácí svou hmotnost.

„Studium Hawkingova záření umožňuje určit teplotu horizontu událostí černé díry a odhadnout dobu života černé díry, tedy dobu, která uplyne, než se zcela vypaří,“ vysvětluje studentka další ze záměrů své disertační práce.

Kontakt

Antonina Zinhailo
Studentka na Fyzikálním ústavu v Opavě
Email: F170631@fpf.slu.cz

Další kontakty

RNDr. Tomáš Gráf, Ph.D.
Fyzikální ústav SU v Opavě, vedoucí observatoře WHOO! a Unisféry
Email: tomas.graf@fpf.slu.cz
Telefon: +420 553 684 548

Mgr. Petr Horálek
PR výstupů evropských projektů FÚ SU v Opavě
Email: petr.horalek@slu.cz
Telefon: +420 732 826 853

doc. RNDr. Gabriel Török, Ph.D.
Garant evropského projektu HR Award
Email: gabriel.torok@physics.cz
Telefon: +420 737 928 755

prof. RNDr. Zdeněk Stuchlík, CSc.
Ředitel Fyzikálního ústavu SU v Opavě
Email: zdenek.stuchlik@physics.slu.cz

Vědecké práce:

https://arxiv.org/pdf/1809.03913.pdf

https://arxiv.org/pdf/1903.03483.pdf

https://arxiv.org/pdf/1904.05341.pdf

https://arxiv.org/pdf/1909.12664.pdf

https://arxiv.org/pdf/2003.01188.pdf

https://arxiv.org/pdf/2004.02248.pdf

https://arxiv.org/pdf/2006.10462.pdf

https://arxiv.org/pdf/2206.14714.pdf

https://arxiv.org/pdf/2303.01987.pdf