Zderzenie czarnych dziur potwierdza teorie Einsteina i Hawkinga

Bezprecedensowa kolizja czarnych dziur zapewnia krystalicznie czysty obraz fizyki kosmicznej

Astronomowie dokonali przełomowej obserwacji, rejestrując z niespotykaną dotąd szczegółowością zderzenie dwóch czarnych dziur. To niezwykłe wydarzenie, oznaczone jako GW250114, stanowi najczystszy dowód empiryczny potwierdzający fundamentalne przewidywania Alberta Einsteina i Stephena Hawkinga dotyczące natury tych enigmatycznych obiektów kosmicznych. Wyniki, szczegółowo opisane w niedawnym artykule w *Physical Review Letters*, podkreślają potęgę zaawansowanej technologii detekcji fal grawitacyjnych.

Wykrycie GW250114 było możliwe dzięki Obserwatorium Fal Grawitacyjnych LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), zaawansowanemu instrumentowi naukowemu zaprojektowanemu do wykrywania słabych zmarszczek w tkaninie czasoprzestrzeni. Te zmarszczki, znane jako fale grawitacyjne, są generowane przez katastroficzne wydarzenia kosmiczne, takie jak złączenie czarnych dziur. Ogólna teoria względności Einsteina, zaproponowana po raz pierwszy w 1915 roku, przewidywała istnienie tych fal, chociaż sam Einstein spekulował, że będą one zbyt słabe, aby je kiedykolwiek wykryć. Pierwsze udane wykrycie przez LIGO w 2015 roku, dokonanie, które przyniosło Nagrodę Nobla kluczowym współtwórcom, otworzyło nowe okno na obserwację wszechświata, często określane jako „teleskop czarnych dziur”.

Analiza zdarzenia GW250114 ujawnia, że dwie łączące się czarne dziury miały masę około 30-35 razy większą od masy naszego Słońca. Krążyły wokół siebie po niemal idealnie okrągłej orbicie, obracając się ze stosunkowo niewielką prędkością. Następujące po tym złączenie stworzyło jedną, większą czarną dziurę o masie około 63 razy większej od masy Słońca, obracającą się z oszałamiającą prędkością 100 obrotów na sekundę. Te cechy wykazują uderzające podobieństwo do pierwszego zdarzenia fal grawitacyjnych zaobserwowanego dekadę temu, jednak znacznie zwiększona czułość i precyzja obecnych instrumentów LIGO pozwoliły na znacznie bardziej szczegółowe badanie procesu złączenia.

Testowanie teorii za pomocą kosmicznego „dzwonienia”

Zwiększona przejrzystość sygnału GW250114 umożliwiła naukowcom rygorystyczne testowanie długo utrzymywanych przewidywań teoretycznych dotyczących czarnych dziur. Jedno z takich przewidywań, sformułowane przez Roya Kerra w 1963 roku, zakłada, że czarne dziury są niezwykle prostymi obiektami, w pełni opisywalnymi przez zaledwie dwie fundamentalne właściwości: ich masę i prędkość obrotu. Zdarzenie złączenia stanowiło unikalną okazję do weryfikacji tej teorii.

Kiedy czarne dziury się łączą, powstała, nowo utworzona czarna dziura przechodzi fazę „dzwonienia”, emitując fale grawitacyjne w sposób analogiczny do uderzonego dzwonu wydającego dźwięk. Specyficzne częstotliwości i szybkości zanikania tego „dzwonienia” zawierają informacje o właściwościach obiektu. Po raz pierwszy sygnał GW250114 wyraźnie ujawnił nie tylko podstawowy tryb tego dzwonienia, ale także słabszy alikwot. To podwójne wykrycie pozwoliło badaczom z całą pewnością wywnioskować masę i prędkość obrotu ostatecznej czarnej dziury, dostarczając przekonujących dowodów na to, że odpowiada ona minimalistycznemu opisowi przewidzianemu przez równanie Kerra i ogólną teorię względności Einsteina.

Twierdzenie Hawkinga o powierzchni zweryfikowane

Oprócz potwierdzenia prostoty opisu czarnych dziur, obserwacja GW250114 stanowi również silne potwierdzenie twierdzenia zaproponowanego przez Stephena Hawkinga w 1971 roku. Twierdzenie Hawkinga o powierzchni postuluje, że całkowita powierzchnia czarnej dziury nigdy nie może się zmniejszyć podczas złączenia; może jedynie wzrosnąć lub pozostać stała. Chociaż wcześniejsze obserwacje dostarczyły wstępnego wsparcia dla tego twierdzenia, wyjątkowa szczegółowość sygnału GW250114 zapewnia bezprecedensową pewność.

Analizując sygnał fal grawitacyjnych emitowany podczas zbliżania się i złączenia dwóch czarnych dziur, naukowcy mogli oszacować powierzchnie początkowych obiektów i porównać je z powierzchnią ostatecznej, połączonej czarnej dziury. Dane potwierdzają, że powierzchnia powstałej czarnej dziury była rzeczywiście większa niż suma powierzchni jej progenitorów, co jest wynikiem doskonale zgodnym z twierdzeniem Hawkinga. Spójność tych obserwacji z fundamentalnymi teoriami grawitacji, przedstawionymi przez Einsteina, jest świadectwem siły predykcyjnej fizyki teoretycznej i możliwości obserwacyjnych współczesnej astronomii.

Nowa era w astronomii fal grawitacyjnych

Pomyślne wykrycie i szczegółowa analiza GW250114 stanowią znaczący postęp w dziedzinie astronomii fal grawitacyjnych. Ciągłe modernizacje czułych instrumentów LIGO znacznie poprawiły ich zdolność do wykrywania i interpretowania tych słabych kosmicznych sygnałów. W miarę jak badacze nadal udoskonalają te narzędzia obserwacyjne, przyszłe wykrycia powinny zapewnić jeszcze większą precyzję, umożliwiając bardziej rygorystyczne testy fizyki fundamentalnej i głębsze zrozumienie najbardziej ekstremalnych zjawisk we wszechświecie. Zdolność do „słyszenia” wszechświata za pomocą fal grawitacyjnych zrewolucjonizowała nasze rozumienie obiektów zwartych, takich jak czarne dziury, i obiecuje odkrycie dalszych tajemnic czasoprzestrzeni i grawitacji.

Źródła

• Physical Review Letters

newsblog.pl