Úvodní strana  >  Články  >  Ostatní  >  Kolize černých děr pomáhají studentce Fyzikálního ústavu v Opavě ověřit nové teorie gravitace

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

Během kolizí černých děr dochází k překotnému uvolňování gravitačních vln. Studium těchto kolizí umožňuje, aby Antonina Zinhailo z Fyzikálního ústavu v Opavě ověřila nové teorie popisu gravitace.
Autor: NANOGrav collaboration/Scitechdaily.com

Astrofyzikální PRogresy z Opavy: V rámci svého studia na Fyzikálním ústavu v Opavě se studentka navazujícího doktorandského studia fyziky, Antonina Zinhailo, zaměřila na studium černých děr, ale z hlediska fyziky trošku jinak. Zabývá se jimi totiž v tzv. alternativních teoriích gravitace. Co to přesně znamená, se dozvíte v článku.

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.

Signál gravitační vlny z černé díry se skládá ze tří etap: Výbuch (I), Tlumené kvazinormální módy (II) a Asymptotická selhání (III). Autor: A. Zinhailo/FÚ v Opavě
Signál gravitační vlny z černé díry se skládá ze tří etap: Výbuch (I), Tlumené kvazinormální módy (II) a Asymptotická selhání (III).
Autor: A. Zinhailo/FÚ v Opavě

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




Seriál

  1. Úřad NASA publikoval snímek opavské univerzity
  2. Poselství civilizacím z centra Galaxie
  3. Astrofyzikové ze Slezské univerzity pátrají po červích dírách
  4. Již druhý snímek opavské univerzity uspěl v NASA
  5. Zapojte se s opavskými fyziky do hledání tajemné látky ve vesmíru. Postačí chytrý telefon!
  6. Češi zrekonstruovali slavný záběr „Einsteinova“ zatmění Slunce. Snímek byl oceněn i v NASA
  7. Záhady fyziky hvězd pomáhá v Opavě řešit dalekohled „WHOO!“
  8. Opavští fyzikové patří mezi světovou špičku ve výzkumu černých děr
  9. Opavští fyzikové studují, jak ochránit lidstvo před nebezpečným zářením černých děr a využít jej v jeho prospěch
  10. Záhadné záření přivádí opavské fyziky k úvahám o paralelních vesmírech
  11. Dokumentární film „Do Chile za zatměním Slunce“
  12. Jak poznat červí díru? Fyzikové z Opavy navrhují, po čem mají pátrat pozemské observatoře i Vesmírný dalekohled Jamese Webba
  13. V Opavě vystoupí možný laureát Nobelovy ceny. Přednášet bude o vzniku snímků černých děr
  14. Kosmický teleskop ATHENA prověří jevy v okolí černých děr předpovězené fyziky v Opavě
  15. Pozorování kosmického záření pomůže předpovídat zemětřesení na Zemi, tvrdí opavský vědec
  16. Doktorandka z Fyzikálního ústavu v Opavě spolupracuje s vědci ve slavné laboratoři Los Alamos
  17. Kolize černých děr pomáhají studentce Fyzikálního ústavu v Opavě ověřit nové teorie gravitace
  18. Černé díry vyhrávají do vesmíru „kosmickými akordy“, zjistili opavští fyzikové


O autorovi

Štítky: Astrofyzikální proGResy z Opavy, Černé díry 


49. vesmírný týden 2024

49. vesmírný týden 2024

Přehled událostí na obloze a v kosmonautice od 2. 12. do 8. 12. 2024. Měsíc po novu se objeví na večerní obloze a bude v konjunkci s Venuší, která se jeví po západu Slunce jako výrazná Večernice na jihozápadě. Saturn, který je večer nad jihem ozdobí 6. 12. stín měsíce Titan. Jupiter je vidět celou noc a 7. 12. bude v opozici se Sluncem. Mars je stále výraznější a i když je vidět i později večer, stále má ideální podmínky viditelnosti ráno. Slunce je opět pokryto řadou větších skvrn, ale aktivita je jinak spíše nízká. Merkur popáté minula sonda BepiColombo. Raketa Falcon 9 již zvládla více než 400 úspěšných startů a SpaceX si za letošek připsala více úspěšných startů, než mnohé rakety historie za celou svoji životnost. Čína vyzkoušela nový nosič CZ-12. Před 385 lety byl poprvé pozorován přechod Venuše přes Slunce.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Velká kometa C/2023 A3 Tsuchinshan-ATLAS v podzimních barvách

Titul Česká astrofotografie měsíce za říjen 2024 obdržel snímek „Velká kometa C/2023 A3 Tsuchinshan-ATLAS v podzimních barvách“, jehož autorem je Daniel Kurtin.     Komety jsou fascinující objekty, které obíhají kolem Slunce a přinášejí s sebou kosmické stopy ze vzdálených

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Konjunkce Měsíce a Venuše nad pražskými mosty

Foceno z letenských sadů v Praze. Na snímku jsou společně s Měsícem a Venuší vidět i pražské mosty a historická část Prahy, jako Kostel Panny Marie před Týnem, Národní muzeum, historická budova Národního divadla, nebo Karlův most.

Další informace »