Physiker aus den USA haben gezeigt, dass das No-Hair-Theorem für ein Schwarzes Loch gilt, das als Ergebnis des Ereignisses GW150914 entstanden ist. Dazu analysierten Wissenschaftler das Spektrum von Gravitationswellen und bestätigten, dass ein entfernter Beobachter nicht zwischen einem durch die Verschmelzung zweier kleinerer Objekte entstandenen Schwarzen Loch und einem gestörten Schwarzen Loch unterscheiden kann. Die statistische Signifikanz dieser Aussage beträgt zwar nur 10 Prozent, aber in Zukunft werden Wissenschaftler sie reduzieren. Der Artikel wurde in Physical Review Letters veröffentlicht, kurz von Physics berichtet, ein Vorabdruck der Arbeit ist auf der Website arXiv.org veröffentlicht.
Das No-Hair-Theorem besagt, dass die Metrik eines Schwarzen Lochs nur durch drei seiner Parameter vollständig bestimmt wird - Masse, Drehimpuls (Spin) und elektrische Ladung (letztere kann in der Praxis vernachlässigt werden, da Materie im Durchschnitt nicht geladen ist). Der Rest der Information über die ursprüngliche Materie (sie wird Haare genannt) ist hinter dem Ereignishorizont verborgen und geht daher für einen externen Beobachter verloren. Mit anderen Worten, es spielt keine Rolle, woraus das Schwarze Loch besteht - es reicht aus, die Masse und Rotationsgeschwindigkeit seiner "Baustoffe" zu kennen, um das Endergebnis vorherzusagen. Insbesondere schwarze Löcher, die aus der gleichen Menge an Materie und Antimaterie zusammengesetzt sind, sehen gleich aus. Daher ist das No-Hair-Theorem eng mit dem Informationsparadox verbunden. Mehr Details zum Theorem über die Abwesenheit von Haaren und das Informationsparadox finden Sie in den Materialien "Es gibt kein Paradox" und "Auf geht's in Richtung Lichtunendlichkeit".
Den Satz über das Fehlen von Haaren als Satz zu bezeichnen, ist jedoch nicht ganz richtig - diese Annahme wurde bisher nur für wenige Spezialfälle bewiesen, während der verallgemeinerte Satz nur eine Hypothese bleibt. Darüber hinaus wird meist das No-Hair-Theorem im Kontext der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie betrachtet, obwohl auch Quanteneffekte für Schwarze Löcher eine wesentliche Rolle spielen. Einige Physiker glauben, dass in der Quantentheorie der Gravitation (und damit in der Realität) ein externer Beobachter immer noch Informationen über absorbierte Objekte extrahieren kann - beispielsweise durch Korrelationen in der Hawking-Strahlung - und daher das No-Hair-Theorem nicht mehr funktioniert. Der Beweis dieser Annahme ist jedoch noch schwieriger, da eine Quantentheorie der Gravitation noch nicht erstellt wurde. Daher erweist es sich als besonders wichtig, den Satz in der Praxis zu überprüfen.
Natürlich ist es unmöglich, das No-Hair-Theorem direkt zu testen, indem man mehrere Schwarze Löcher herstellt und vergleicht (zumindest nach dem aktuellen Stand der Technik). Dennoch kann eine solche Überprüfung aus der Ferne mit Hilfe von Gravitationswellen durchgeführt werden, die Informationen über die kollabierende Materie tragen. Um sich vorzustellen, wie ein solcher Test funktioniert, vergleichen Sie ein Schwarzes Loch mit einem Glas. Wenn Sie mit einem Löffel auf das Glas schlagen, klingelt es, dh es vibriert und sendet Schallwellen in den umgebenden Raum aus. Dabei wird die Frequenz und Geschwindigkeit der Schwingungen und damit das Wellenspektrum durch die Form des Glases und die darin eingegossene Wassermenge bestimmt. Ein volles Glas klingt höher, ein leeres Glas tiefer; ein breites Glas gibt einige Obertöne ab, während ein schmales andere emittiert. Folglich können Form und Material des Glases (wenn auch näherungsweise) aus dem Spektrum der emittierten Wellen wiederhergestellt werden.
Im Fall eines Schwarzen Lochs sieht die Situation genauso aus, nur müssen Sie anstelle von Schall Gravitationswellen analysieren und anstelle eines Löffels ihn gegen ein anderes Schwarzes Loch drücken. Nach einer solchen Kollision wird das Loch "klingeln", Gravitationswellen erreichen die Erde, fallen in den Detektor und sagen, wie die Metrik ihrer Quelle bestimmt wird. Im Allgemeinen entstand die Idee eines solchen Schecks schon vor langer Zeit, in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts. Allerdings erreichte die Genauigkeit von Gravitationsdetektoren erst im letzten Jahr die geforderte Grenze.
Eine Gruppe von Physikern unter der Leitung von Saul Teukolsky testete diese Idee zunächst an realen Daten und zeigte, dass das No-Hair-Theorem tatsächlich gilt. Dazu analysierten Wissenschaftler das Ereignis GW150914 – die ersten aufgezeichneten Gravitationswellen der Geschichte. Mit anderen Worten, die Forscher gingen davon aus, dass der Hauptschwingungsmode des Schwarzen Lochs mehrere Obertöne hinzugefügt wurden, berechneten das Spektrum der Gravitationswellen und verglichen es mit dem Experiment. Dann zogen Physiker mithilfe der Bayes-Analyse aus dieser Analyse die zulässigen Werte für die Frequenz und Amplitude der Schwingungen. Die Ergebnisse der Physik wurden mit einer vollwertigen Analyse verglichen, die alle Stadien der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit Hilfe der numerischen Relativitätstheorie berechnete.
Als Ergebnis stellten die Forscher fest, dass Obertöne praktisch keinen Einfluss auf das Spektrum der Gravitationswellen haben: Damit "annähernde" und "ausgewachsene" Analysen zum gleichen Ergebnis kommen, genügt es, sich auf den Grundton zu beschränken und der erste Oberton. Laut Wissenschaftlern bedeutet dies, dass ein entfernter Beobachter ein durch die Verschmelzung entstandenes Schwarzes Loch nicht von einem gestörten Schwarzen Loch unterscheiden kann. Dies bestätigt das No-Hair-Theorem. Allerdings betonen die Forscher, dass die Zuverlässigkeit einer solchen Prüfung noch nicht sehr hoch ist – die Wissenschaftler nennen den Beweis 90 Prozent zuverlässig. Dennoch kann das Theorem in Zukunft, wenn viel mehr Statistiken gesammelt werden, viel genauer überprüft werden.
Schwingungsamplitude eines Schwarzen Lochs im Modell mit zwei Obertönen
Beschränkungen der Masse und des dimensionslosen Spins eines Schwarzen Lochs, die mit einer "vollständigen" Analyse (schwarze gestrichelte Linie) und einem Modell mit mehreren Obertönen (farbige Linien) erhalten wurden. Aus dem Bild ist ersichtlich, dass das Hinzufügen eines zweiten Obertons praktisch keinen Einfluss auf das Ergebnis hat.
Seit dem letzten Upgrade sind die LIGO / Virgo Gravitationsdetektoren so empfindlich geworden, dass sie mehrmals im Monat Gravitationswellen einfangen. Dies eröffnet Astronomen neue Möglichkeiten, die das Universum bisher nur mit elektromagnetischen Wellen beobachtet haben. Insbesondere hoffen die Wissenschaftler, mithilfe der Gravitationsastronomie die Hubble-Konstante zu verfeinern, urzeitliche Schwarze Löcher zu finden, exotische kompakte Objekte zu sehen, die Schwarze Löcher "nachahmen" und in einen Neutronenstern zu schauen. Mehr Details zu den Perspektiven der Gravitationsastronomie finden Sie in den Materialien "Wave Behind the Wave", "The Birth of Gold" und "Botany in an Unknown Country".
