Tillbaka i 2017 ringde en gravitationsvåg över jorden som den klara tonen i en klocka. Det sträckte och krossade varje person, myra och vetenskapligt instrument på planeten när det passerade genom vår rymdregion. Nu har forskare gått tillbaka och studerat den vågen och hittat dolda data i den - data som hjälper till att bekräfta en årtionden gammal astrofysikidé.
Den 2017-vågen var en stor sak: För första gången hade astronomer ett verktyg som kunde upptäcka och spela in det när det passerade, känt som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Den första vågen var resultatet, fann de, av två svarta hål som kraschade långt borta i rymden. Och nu har ett team av astrofysiker tagit en ny titt på inspelningen och hittat något som andra trodde skulle ta årtionden att avslöja: exakt bekräftelse av "icke-håret teorem." Denna väsentliga aspekt av svart hålteori går tillbaka åtminstone till 1970-talet - en satsning som Stephen Hawking berömt tvivlade på.
När fysiker säger att svarta hål inte har "hår", säger Maximiliano Isi, en fysiker vid MIT och huvudförfattare för uppsatsen, menar de att astrofysiska föremål är mycket enkla. Svarta hål skiljer sig bara från varandra på tre sätt: rotationshastighet, massa och elektrisk laddning. Och i den verkliga världen skiljer sig förmodligen inte svarta hål mycket på elektrisk laddning, så de skiljer sig egentligen bara i massa och snurr. Fysiker kallar dessa skalta föremål "svarta hål i Kerr."
Att hårlöshet gör svarta hål mycket annorlunda än nästan alla andra objekt i universum, berättade Isi till Live Science. När en riktig klocka ringer, till exempel, avger den ljudvågor och några odetekterbara, otroligt svaga gravitationella vågor. Men det är ett mycket mer komplicerat objekt. En klocka är till exempel gjord av ett material (kanske brons, eller gjutjärn), medan svarta hål enligt modell utan hår är enhetliga singulariteter. Varje klocka har också en något unik form, medan svarta hål alla är oändliga, måttlösa punkter i rymden omgiven av sfäriska händelsehorisonter. Alla dessa funktioner i en klocka kan upptäckas i ljudet som en klocka gör - åtminstone om du vet något om klockor och ljudvågor. Om du på något sätt kunde känna av en klockas gravitationsvågor, skulle du också upptäcka skillnaderna i klockans sammansättning och form, säger Isi.
"Hemligheten med hela denna verksamhet är att vågformen - mönstret för denna sträckning och klämma - kodar information om källan, det som gjorde den här gravitationsvågen," sa han till Live Science.
Och astronomer som studerade vågen 2017 lärde sig en hel del om kollisionen i det svarta hålet som gett den, sade Isi.
Men inspelningen var svag och inte särskilt detaljerad. LIGO, världens bästa gravitationsvågsdetektor, använde en laser för att mäta avståndet mellan speglar placerade 2,5 mil (4 kilometer) från varandra i ett L-mönster i delstaten Washington. (Jungfrun, en liknande detektor, tog också upp vågen i Italien.) När vågen rullade över LIGO, varpade den rymdtiden själv och ändrade så lite det avståndet. Men detaljerna i den gravitationella vågen var inte tillräckligt intensiva för att detektorerna kunde spela in, sade Isi.
"Men det är som vi lyssnar långt ifrån," sade Isi.
Då erbjöd den vågen mycket information. Det svarta hålet uppförde sig som förväntat. Det fanns inga uppenbara bevis för att det saknades en händelseshorisont (regionen utanför vilket ljus inte kan fly) och att det inte avviker dramatiskt från teoremet utan hår, sade Isi.
Men forskare kunde inte vara mycket säkra på många av dessa punkter, särskilt inte-håret. Den enklaste delen av vågformen att studera, sade Isi, kom efter att de två svarta hålen slogs samman till ett större svart hål. Det fortsatte att ringa ett tag, mycket som en slagen klocka och skickade sin överskottsenergi ut i rymden som gravitationsvågor - vad astrofysiker kallar "ringdown" -processen.
Vid den tiden såg forskare som tittade på LIGO-data bara en vågform i avslutningen. Forskare trodde att det skulle ta årtionden att utveckla instrument tillräckligt känsliga för att ta upp tystare övertoner i ringdown. Men en av Isis kollegor, Matt Giesler, en fysiker vid California Institute of Technology, räknade ut att det fanns en kort period strax efter kollisionen där nedläggningen var tillräckligt intensiv för att LIGO spelade in mer detaljer än vanligt. Och i dessa ögonblick var vågen tillräckligt hög för att LIGO tog upp en översignal - en andra våg med en annan frekvens, mycket som de svaga sekundära toner som bärs i ljudet från en slagen klocka.
I musikinstrument har övertoner större delen av informationen som ger instrumenten sina distinkta ljud. Detsamma gäller för övertonerna av en gravitationsvåg, sade han. Och den nyligen avslöjade övertonen klargjorde uppgifterna om det ringande svarta hålet mycket, sade Isi.
Det visade, sade han, att det svarta hålet var åtminstone mycket nära ett Kerr-svart hål. Stället utan hår kan användas för att förutsäga hur övertonen kommer att se ut; Isi och hans team visade att övertonen ganska mycket matchade den förutsägelsen. Inspelningen av övertonen var dock inte så tydlig, så det är fortfarande möjligt att tonen var något annorlunda - med cirka 10% - från vad teorem skulle förutsäga ...
För att komma över den precisionsnivån, sa han, skulle du behöva extrahera en tydligare överton från vågformen för en kollision i svart hål, eller bygga ett känsligare instrument än LIGO, sade Isi.
"Fysik handlar om att närma sig närmare," sade Isi. "Men du kan aldrig vara säker."
Det är till och med möjligt att signalen från övertonen inte är verklig, utan inträffade av en slump på grund av slumpmässiga fluktuationer i data. De rapporterade om ett "3.6σ-förtroende" för övertonens existens. Det betyder att det finns ungefär en 1-i-6 300 chans att övertonen inte är en riktig signal från det svarta hålet.
När instrumenten förbättras och mer gravitationsvågor upptäcks bör alla dessa nummer bli mer självsäkra och exakta, sade Isi. LIGO har redan genomgått uppgraderingar som har gjort detekteringen av svarthåls kollisioner ganska rutin. En annan uppgradering, planerad till mitten av 2020, borde öka sin känslighet tiofaldigt, enligt Physics World. När den rymdbaserade laserinterferometern rymdantennen (LISA) har lanserats i mitten av 2030-talet, bör astronomer kunna bekräfta hårlöshet i svarta hål till grader av säkerhet som är omöjligt idag.
Men, sade Isi, det är alltid möjligt att svarta hål inte är helt kala - de kan ha en kvant persika fuzz som är enkel för mjuk och kort för våra instrument att plocka upp.
