Wszechświat zaoferował bezprecedensowy wgląd w kataklizmiczny taniec czarnych dziur. Astronomowie wykryli kolizję tak precyzyjnie, że stanowi ona najjaśniejszy dotąd dowód na długo wyczekiwane przewidywania Alberta Einsteina i Stephena Hawkinga. To wyjątkowe zdarzenie, zidentyfikowane jako GW250114, ukazuje niezwykłą ewolucję astronomii fal grawitacyjnych i znacząco pogłębia nasze zrozumienie struktury czasoprzestrzeni.
Wykrycie GW250114 w styczniu przez Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), składające się z dwóch bliźniaczych instrumentów w Livingston w Luizjanie i Hanford w Waszyngtonie, stanowiło znaczący kamień milowy. Wyrafinowane czujniki LIGO zarejestrowały słabe zmarszczki w czasoprzestrzeni – fale grawitacyjne – powstałe w wyniku zderzenia dwóch kolosalnych czarnych dziur. Fale te, po raz pierwszy przewidziane przez Einsteina w 1915 roku jako konsekwencja jego ogólnej teorii względności, były kiedyś uważane za zbyt subtelne, by ludzka technologia mogła je kiedykolwiek wykryć. Jednak ich pierwsze zaobserwowanie w 2015 roku, które przyniosło Nagrodę Nobla kluczowym współtwórcom, zrewolucjonizowało tę dziedzinę, przekształcając LIGO w „teleskop czarnych dziur” zdolny do odkrywania zjawisk wcześniej niedostępnych.
Maximiliano Isi, adiunkt astronomii na Uniwersytecie Columbia i astrofizyk w Center for Computational Astrophysics Flatiron Institute, który przewodził nowemu badaniu danych GW250114 dla LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration, szczegółowo opisał to zdarzenie w wiodącym czasopiśmie naukowym. Łączące się czarne dziury miały masę około 30 do 35 razy większą niż nasze Słońce i krążyły po niemal idealnym okręgu około miliarda lat świetlnych od nas. Powstała czarna dziura, ważąca około 63 mas Słońca, obracała się z zadziwiającą prędkością 100 obrotów na sekundę. Ta kolizja ściśle odzwierciedlała cechy początkowego wykrycia fal grawitacyjnych dekadę wcześniej, jednak ulepszona aparatura zapewniła klarowność, która pozwoliła naukowcom obserwować połączenie z niezrównaną precyzją.
Potwierdzenie fundamentalnych teorii
Zwiększona rozdzielczość sygnału GW250114 umożliwiła astronomom zweryfikowanie kluczowych przewidywań sprzed dziesięcioleci. Jedno z takich potwierdzeń dotyczy przewidywania Kerra z 1963 roku, rozszerzenia ogólnej teorii względności Einsteina, które zakładało, że czarne dziury są paradoksalnie prostymi obiektami, w pełni opisywalnymi za pomocą zaledwie dwóch fundamentalnych właściwości: masy i rotacji. Aby to przetestować, naukowcy przeanalizowali „dzwonienie” lub wibracje wytwarzane przez końcową czarną dziurę po połączeniu, podobne do dźwięku wydawanego przez uderzony dzwon. To dzwonienie niesie ze sobą złożone informacje o strukturze czarnej dziury. Po raz pierwszy GW250114 dostarczył sygnał z wyraźnymi „dwoma modami – podstawowym i alikwotowym”, oferując przekonujący dowód na to, że obserwowana czarna dziura odpowiada opisowi dwuparametrowemu.
Kolejne głębokie potwierdzenie, wynikające z GW250114, dotyczyło twierdzenia o powierzchni Stephena Hawkinga, sformułowanego w 1971 roku. Twierdzenie to głosi, że gdy dwie czarne dziury się łączą, łączna powierzchnia horyzontów zdarzeń powstałej czarnej dziury musi być równa lub większa niż suma powierzchni oryginalnych czarnych dziur. Podczas gdy wcześniejsze obserwacje LIGO dostarczały wstępnego wsparcia, niezwykła klarowność tego nowego sygnału zapewniła naukowcom niezrównaną pewność. Badacze mogli dokładnie wywnioskować indywidualne powierzchnie oddzielnych czarnych dziur z wczesnej części sygnału, a następnie precyzyjnie zmierzyć powierzchnię końcowej, połączonej czarnej dziury z późniejszego sygnału, jednoznacznie demonstrując ważność twierdzenia. Kip Thorne, laureat Nagrody Nobla za wkład w LIGO, zauważył, że sam Hawking z niecierpliwością oczekiwał takiego testu.
Implikacje dla fizyki fundamentalnej
Potwierdzenie tych przełomowych prac teoretycznych za pomocą zaawansowanej aparatury podkreśla ich trwałe znaczenie. Isi podkreślił, że weryfikacja twierdzenia Hawkinga może mieć głębokie implikacje dla jednego z najbardziej nieuchwytnych celów fizyki: zjednoczenia ogólnej teorii względności, która opisuje grawitację w skali kosmicznej, z mechaniką kwantową, rządzącą światem subatomowym. Działanie LIGO skutecznie zapoczątkowało zupełnie nową gałąź astronomii, fundamentalnie zmieniając postrzeganie obiektów zwartych, zwłaszcza czarnych dziur. Przed LIGO sama koncepcja łączenia się czarnych dziur była spekulatywna; teraz jest to dobrze zaobserwowana rzeczywistość.
Eksperci spoza badania potwierdzili ogromną wartość naukową tych odkryć. Emanuele Berti, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, scharakteryzował detektory LIGO jako „aparaty słuchowe”, które zostały znacząco udoskonalone, umożliwiając naukowcom „słyszenie” sygnałów fal grawitacyjnych z znacznie lepszą klarownością. To udoskonalenie, wyjaśnił, pozwala na rygorystyczne testowanie fundamentalnych zasad grawitacji, które wcześniej były niedostępne. Leor Barack, profesor fizyki matematycznej na Uniwersytecie w Southampton, opisał GW250114 jako „szczególnie spektakularne” spośród ponad 300 zarejestrowanych połączeń czarnych dziur, zauważając udane wydobycie dwóch „czystych tonów” z pozostałej czarnej dziury – tonu podstawowego i, co kluczowe, pierwszego wyraźnego wydobycia „alikwotu”. Macarena Lagos, adiunkt w Instytucie Astrofizyki Universidad Andrés Bello, dodatkowo podkreśliła, że GW250114 nie tylko demonstruje sukces ciągłych ulepszeń LIGO, ale także stanowi solidną podstawę dla przyszłych, jeszcze bardziej precyzyjnych obserwacji fal grawitacyjnych. Te nadchodzące detekcje obiecują udoskonalić nasze zrozumienie czasoprzestrzeni i grawitacji z niespotykaną dokładnością.
newsblog.pl
Maciej – redaktor, pasjonat technologii i samozwańczy pogromca błędów w systemie Windows. Zna Linuxa lepiej niż własną lodówkę, a kawa to jego główne źródło zasilania. Pisze, testuje, naprawia – i czasem nawet wyłącza i włącza ponownie. W wolnych chwilach udaje, że odpoczywa, ale i tak kończy z laptopem na kolanach.