重力波を使用してテストされた脱毛定理はありません

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ビデオ: KAGRAプロジェクトと重力波天文学 梶田隆章 2023, 1月
重力波を使用してテストされた脱毛定理はありません
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Anonim
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米国の物理学者は、イベントGW150914の結果として形成されたブラックホールに対してブラックホール脱毛定理が成り立たないことを示しました。これを行うために、科学者は重力波のスペクトルを分析し、遠くの観測者が2つの小さな物体の融合によって作成されたブラックホールと乱されたブラックホールを区別できないことを確認しました。確かに、このステートメントの統計的有意性はわずか10%ですが、将来的には、科学者はそれを減らす予定です。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。作品のプレプリントは、arXiv.orgのWebサイトに掲載されています。

ブラックホール脱毛定理は、ブラックホールの測定基準は、質量、角運動量(スピン)、および電荷の3つだけによって完全に決定されると述べています(物質は平均して帯電していないため、後者は実際には無視できます)。元の物質(髪と呼ばれる)に関する残りの情報は、イベントの地平線の背後に隠されているため、外部の観察者には失われます。言い換えれば、ブラックホールが何から形成されているかは問題ではありません。最終的な結果を予測するには、その「建築材料」の回転の質量と速度を知るだけで十分です。特に、同じ量の物質と反物質から組み立てられたブラックホールは同じように見えます。したがって、ブラックホール脱毛定理は情報パラドックスと密接に関連しています。髪の毛がないという定理と情報パラドックスの詳細については、「パラドックスはありません」と「光の無限の方向に行こう」という資料を参照してください。

ただし、髪の毛がないという定理を定理と呼ぶことは完全に正しいわけではありません。これまでのところ、この仮定はいくつかの特別な場合にのみ証明されていますが、一般化された定理は仮説にすぎません。さらに、ブラックホールの量子効果も重要な役割を果たしますが、通常、ブラックホールの定理は古典的な一般相対性理論の文脈で考慮されます。一部の物理学者は、重力の量子論(したがって実際には)では、外部の観測者が、たとえばホーキング放射の相関関係を使用して、吸収されたオブジェクトに関する情報を抽出できるため、ブラックホール脱毛定理が機能しなくなると考えています。しかし、重力の量子論がまだ構築されていないため、この仮定を証明することはさらに困難です。したがって、実際に定理を検証することが特に重要であることがわかります。

もちろん、いくつかのブラックホールを作成して比較することによって、ブラックホール脱毛定理を直接テストすることは不可能です(少なくとも現在の最先端技術では)。それにもかかわらず、そのようなチェックは、崩壊する物質に関する情報を運ぶ重力波を使用して遠隔で実行することができます。このようなテストがどのように機能するかを想像するには、ブラックホールをガラスと比較します。ガラスをスプーンで叩くと鳴ります。つまり、振動して周囲の空間に音波を発します。この場合、振動の周波数と速度、そしてそれらとともに波のスペクトルは、ガラスの形状とそれに注がれる水の量によって決定されます。完全なグラスは高く聞こえ、空のグラスは低く聞こえます。幅の広いガラスは倍音を発し、幅の狭いガラスは他の倍音を発します。その結果、ガラスの形状と材質(おおよそではありますが)は、放出された波のスペクトルから復元できます。

ブラックホールの場合、状況はまったく同じように見えますが、音の代わりに重力波を分析する必要があり、スプーンの代わりに別のブラックホールに押し付けます。そのような衝突の後、穴は「鳴り響き」、重力波は地球に到達し、検出器に落ちて、それらの源の測定基準がどのように決定されるかを伝えます。一般的に言って、そのようなチェックのアイデアはかなり昔、前世紀の70年代に起こりました。しかし、重力波検出器の精度は昨年必要な限界に達しただけでした。

ソール・トゥコルスキーが率いる物理学者のグループは、最初に実際のデータでこのアイデアをテストし、ブラックホール脱毛定理が実際に成り立つことを示しました。これを行うために、科学者はイベントGW150914を分析しました。これは歴史上最初に記録された重力波です。言い換えれば、研究者たちは、ブラックホールの主な振動モードにいくつかの倍音が追加されていると仮定し、重力波のスペクトルを計算して、それを実験と比較しました。次に、ベイズ分析を使用して、物理学者はこの分析から振動の周波数と振幅の許容値を引き出しました。物理学によって得られた結果は、相対性理論の数値理論を使用して2つのブラックホールの合併のすべての段階を計算した本格的な分析と比較されました。

その結果、研究者たちは、倍音が重力波のスペクトルに実質的に影響を及ぼさないことを発見しました。「概算」と「本格的な」分析で同じ結果を得るには、基本音に制限するだけで十分です。最初の倍音。科学者によると、これは、遠方の観測者が、合併によって作成されたブラックホールと妨害されたブラックホールを区別できないことを意味します。これは、ブラックホール脱毛定理を確認します。しかし、研究者たちは、そのようなチェックの信頼性はまだそれほど高くないことを強調しています-科学者は証明を90パーセント信頼できると呼びます。それにもかかわらず、将来、はるかに多くの統計が収集されると、定理ははるかに正確に検証できるようになります。

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2つの倍音を持つモデルのブラックホールの振動振幅

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「完全な」分析(黒い点線)といくつかの倍音を持つモデル(色付きの線)を使用して得られたブラックホールの質量と無次元スピンに対する制約。写真から、2番目の倍音を追加しても結果に実質的に影響がないことがわかります。

前回のアップグレード以降、LIGO / Virgo重力検出器は非常に感度が高くなり、月に数回重力波を捕らえるようになりました。これにより、これまで電磁波を使っ​​て宇宙を観測してきた天文学者に新たな可能性が開かれます。特に、重力波天文学を使用して、科学者はハッブル定数を洗練し、原始ブラックホールを見つけ、ブラックホールを「模倣」するエキゾチックなコンパクトオブジェクトを見て、中性子星の内部を見ることを望んでいます。重力波天文学の展望についての詳細は、「波の後ろの波」、「金の誕生」、「未知の国の植物学」の資料に記載されています。

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