“Twll du sy’n siglgrynu” yw’r enghraifft fwyaf eithafol a ganfuwyd erioed

Mae ymchwilwyr ym Mhrifysgol Caerdydd wedi canfod symudiad hynod sy’n troelli yng nghylchdroeon dau dwll du sy’n gwrthdaro, sef ffenomen egsotig y mae theori disgyrchiant Einstein wedi’i rhagweld.

Mae eu hastudiaeth, a gyhoeddwyd yn Nature a’i harwain gan yr Athro Mark Hannam, Dr Charlie Hoy a Dr Jonathan Thompson, yn nodi mai dyma'r tro cyntaf i'r effaith hon, a elwir yn flaenori, gael ei chanfod mewn tyllau duon lle bydd y troelli 10 biliwn gwaith yn gyflymach na’r hyn a gafwyd mewn arsylwadau blaenorol.

Daethpwyd o hyd i system y ddau dwll du drwy ddefnyddio tonnau disgyrchiant yn gynnar yn 2020 yn synwyryddion Uwch LIGO a Virgo. Mae'n debyg mai un o'r tyllau du, sy’n 40 gwaith yn fwy na'n Haul ni, yw'r twll du sy'n troelli gyflymaf i'w ganfod drwy ddefnyddio tonnau disgyrchiant. Ac yn wahanol i'r holl arsylwadau blaenorol, roedd y twll du sy'n troelli’n gyflym yn ystumio gofod ac amser cymaint nes bod cylchdro cyfan y system ddeuaidd yn siglgrynu yn ôl ac ymlaen.

Mae'r ffurf hon o flaenori yn benodol i theori Einstein am berthnasedd cyffredinol. Mae'r canlyniadau hyn yn cadarnhau ei fodolaeth yn y digwyddiad ffisegol mwyaf eithafol y gallwn ei arsylwi, sef dau dwll du yn gwrthdaro.

“Rydyn ni wedi wastad wedi meddwl y gall tyllau duon deuaidd wneud hyn,” meddai'r Athro Mark Hannam, o Sefydliad Archwilio Disgyrchiant Prifysgol Caerdydd.

Enghraifft symlach o flaenori yw chwyrligwgan sy’n troelli gan y bydd yn siglgrynu – neu’n blaenori - unwaith efallai bob ychydig o eiliadau. Mewn cyferbyniad, fel arfer bydd gan flaenori yng nghyd-destun perthnasedd cyffredinol effaith sydd mor wan nad oes modd ei ganfod. Yn yr enghraifft gyflymaf a fesurwyd cyn hyn o sêr niwtron sy’n cylchdroi o'r enw pylsarau deuaidd, cymerodd fwy na 75 mlynedd i'r cylchdro flaenori. Mae'r ddau dwll du yn yr astudiaeth hon, a elwir ar lafar yn GW200129 (a enwyd ar ôl y dyddiad iddo gael ei arsylwi, sef Ionawr 29, 2020), yn blaenori sawl gwaith bob eiliad - dyma effaith sy’n 10 biliwn gwaith yn gryfach na'r hyn a fesurwyd o'r blaen.

Esboniodd Dr Jonathan Thompson, sydd hefyd yn gweithio ym Mhrifysgol Caerdydd: “Effaith anodd iawn dod o hyd iddi yw hon. Mae tonnau disgyrchiant yn hynod o wan ac er mwyn eu canfod mae angen y cyfarpar mesur mwyaf sensitif sydd ar gael. Effaith wannach fyth a gleddir y tu mewn i'r signal sydd eisoes yn wan yw’r blaenori, felly roedd yn rhaid inni wneud dadansoddiad gofalus i ddod o hyd iddo.”

Rhagwelodd Einstein donnau disgyrchiant ym 1916. Daeth offerynnau Uwch LIGO o hyd iddyn nhw yn uniongyrchol am y tro cyntaf yn 2015 yn sgîl dau dwll du’n mynd yn un, sef darganfyddiad arloesol a arweiniodd at Wobr Nobel 2017. Mae seryddiaeth tonnau disgyrchiant bellach yn un o'r meysydd bywiocaf ym myd gwyddoniaeth, ac mae rhwydwaith o synwyryddion Uwch LIGO, Virgo a KAGRA ar waith yn yr Unol Daleithiau, Ewrop a Siapan. Hyd yma cafwyd mwy na 80 o ddarganfyddiadau, ac mae pob un ohonyn nhw wedi darganfod tyllau duon neu sêr niwtron sy’n mynd yn un.

“Hyd yn hyn mae'r rhan fwyaf o dyllau duon rydyn ni wedi dod o hyd iddyn nhw drwy ddefnyddio tonnau disgyrchiant wedi bod yn troelli'n weddol araf,” meddai Dr Charlie Hoy, ymchwilydd ym Mhrifysgol Caerdydd yn ystod yr astudiaeth hon, ac sydd bellach yn gweithio ym Mhrifysgol Portsmouth. “Roedd y twll du mwy ei faint yn y system ddeuaidd hon, a oedd tua 40 gwaith yn fwy na'r Haul, yn troelli’r un mor gyflym bron â’r hyn sy’n gorfforol bosibl. Mae ein modelau cyfredol o sut mae systemau deuaidd yn ymffurfio yn awgrymu bod yr un yma’n hynod brin, sef digwyddiad un ym mhob mil efallai. Neu hwyrach ei bod yn arwydd bod yn rhaid i'n modelau newid.”

Mae'r rhwydwaith rhyngwladol o synwyryddion tonnau disgyrchiant yn cael ei uwchraddio ar hyn o bryd a bydd yn dechrau ei chwiliad nesaf o'r bydysawd yn 2023. Maen nhw’n debygol o ddod o hyd i gannoedd yn fwy o dyllau duon sy’n gwrthdaro â’i gilydd, a bydd gwyddonwyr yn gwybod a oedd GW200129 yn eithriad prin, neu'n arwydd bod ein bydysawd hyd yn oed yn fwy ddieithr na’r hyn yr oedden nhw’n ei feddwl.

Cyhoeddir General-relativistic precession in a black-hole binar yn Nature a byddwch yn gallu darllen yr erthygl yma.

Cefnogwyd yr awduron gan gyllid gan Gyngor y Cyfleusterau Gwyddoniaeth a Thechnoleg (STFC) a'r Cyngor Ymchwil Ewropeaidd (ERC).