Kosmos zadzwonił. "Najwyraźniejszy obraz natury czarnych dziur"
Najnowsze odkrycie dotyczące czarnych dziur nie tylko przybliża nas do zrozumienia natury czasu i przestrzeni, ale też z hukiem potwierdza fundamentalne przewidywania trzech gigantów nauki.
Dekadę temu naukowcy po raz pierwszy wykryli zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi, powstałe w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur. Teraz, dzięki ulepszonej technologii i odrobinie szczęścia, nowo wykryte połączenie czarnych dziur dostarczyło najwyraźniejszych jak dotąd dowodów na to, jak działają czarne dziury. A przy okazji potwierdziło przewidywania Alberta Einsteina, Stephena Hawkinga i Roya Kerra.
Najwyraźniejszy jak dotąd sygnał połączenia czarnych dziur, oznaczony jako GW250114, zarejestrowany został przez słynny poszukiwacz fal grawitacyjnych LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) w styczniu 2025 r. Analizę zebranych wówczas danych prowadzili astrofizycy Maximiliano Isi i Will Farr z Centrum Astrofizyki Obliczeniowej Instytutu Flatiron w Nowym Jorku.
Wyniki ich badań przedstawiono właśnie w czasopiśmie Physical Review Letters. Dostarczają one wglądu we właściwości czarnych dziur i fundamentalną naturę czasoprzestrzeni, wskazując na to, jak fizyka kwantowa i ogólna teoria względności Einsteina są ze sobą powiązane.
To jak dotąd najwyraźniejszy obraz natury czarnych dziur. Znaleźliśmy jedne z najsilniejszych dowodów na to, że astrofizyczne czarne dziury to czarne dziury przewidziane w ogólnej teorii względności Alberta Einsteina – mówi Isi, adiunkt na Uniwersytecie Columbia.
Dzwonienie w czasoprzestrzeni
Dla masywnych gwiazd czarne dziury stanowią ostatni etap ewolucji. Czarne dziury są tak gęste, że nawet światło nie może uciec przed ich grawitacją. Zderzenie dwóch czarnych dziur zniekształca samą przestrzeń, tworząc zmarszczki w czasoprzestrzeni, które rozchodzą się po całym wszechświecie niczym fale dźwiękowe rozchodzące się po uderzeniu w dzwon.
Te zniekształcające przestrzeń fale grawitacyjne mogą wiele powiedzieć naukowcom o obiektach, które je stworzyły. Tak jak duży żelazny dzwon wydaje inne dźwięki niż mniejszy aluminiowy, tak „dźwięk” towarzyszący zderzeniu czarnych dziur jest specyficzny dla właściwości zaangażowanych w nie czarnych dziur.
Naukowcy mogą wykrywać fale grawitacyjne za pomocą specjalnych instrumentów w obserwatoriach, takich jak LIGO w Stanach Zjednoczonych, Virgo we Włoszech i KAGRA w Japonii. Instrumenty te precyzyjnie mierzą czas potrzebny laserowi na pokonanie określonej ścieżki. Ponieważ fale grawitacyjne rozciągają i kompresują czasoprzestrzeń, długość instrumentu, a tym samym czas podróży światła, zmienia się minimalnie. Mierząc te drobne zmiany z dużą precyzją, naukowcy mogą wykorzystać je do określenia właściwości czarnych dziur.
Szczegółowy obraz
Odkryte w styczniu fale grawitacyjne powstały w wyniku fuzji, która utworzyła czarną dziurę o masie 63 mas Słońca i obracającą się z prędkością 100 obrotów na sekundę. Odkrycie to nastąpiło 10 lat po tym, jak LIGO dokonało pierwszego wykrycia fuzji czarnych dziur. Udoskonalenia w sprzęcie, jakie zaszły od tego czasu, pozwoliły naukowcom uzyskać znacznie wyraźniejszy obraz tych wstrząsających kosmosem zdarzeń.
Zdarzenie jest bliźniaczo podobne do pierwszego wykrycia z 2015 r. Ale teraz instrumenty są znacznie lepsze, więc możemy analizować sygnał w sposób, który 10 lat temu był po prostu niemożliwy – mówi Isi.
Dzięki temu Isi i jego współpracownicy mogli dokładnie przyjrzeć się zderzeniu od momentu, w którym czarne dziury po raz pierwszy zderzyły się ze sobą, aż do ostatnich drgań, gdy połączona czarna dziura osiągnęła nowy stan, co nastąpiło zaledwie milisekundy po pierwszym kontakcie.
Uzyskaliśmy niezwykle szczegółowy obraz sygnału zarówno przed jak i po połączeniu się czarnych dziur. Dzięki nowym, precyzyjniejszym pomiarom udało się wyizolować trwający milisekundy sygnał ustabilizowanej czarnej dziury. Dziesięć milisekund brzmi naprawdę krótko, ale nasze instrumenty są teraz o wiele lepsze i to wystarczająco dużo czasu, abyśmy mogli zebrać dane – mówi Isi.
Więcej na Spider' Web:
Giganci nauki mieli rację
Nowe obserwacje pozwoliły naukowcom zweryfikować kluczową hipotezę sprzed dziesięcioleci, że czarne dziury są zasadniczo prostymi obiektami.
W 1963 r. fizyk Roy Kerr wykorzystał ogólną teorię względności Einsteina do matematycznego opisu czarnych dziur za pomocą jednego równania. Równanie to pokazało, że astrofizyczne czarne dziury można opisać za pomocą zaledwie dwóch cech: spinu i masy.
Dzięki nowym danym naukowcy byli w stanie zmierzyć częstotliwość i czas trwania dzwonienia połączonej czarnej dziury dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej. To pozwoliło im przekonać się, że połączona czarna dziura jest rzeczywiście prostym obiektem, opisanym jedynie za pomocą masy i spinu.
Obserwacje posłużyły również do przetestowania fundamentalnej idei zaproponowanej przez Stephena Hawkinga. Mówi ona, że rozmiar horyzontu zdarzeń czarnej dziury, linii, poza którą nic, nawet światło, nie może powrócić, może jedynie rosnąć.
Sprawdzenie, czy to twierdzenie ma zastosowanie, wymaga wyjątkowych pomiarów czarnych dziur przed i po ich połączeniu. Po pierwszym wykryciu połączenia czarnych dziur w 2015 r. Hawking zastanawiał się, czy sygnatura połączenia mogłaby posłużyć do potwierdzenia jego twierdzenia. W tamtym czasie nikt nie uważał tego za możliwe.
Do 2019 r., rok po śmierci Hawkinga, metody udoskonalono na tyle, że pierwsze wstępne potwierdzenie uzyskano za pomocą technik opracowanych przez Isi, Farra i współpracowników. Dzięki czterokrotnie lepszej rozdzielczości nowe dane dają naukowcom znacznie większą pewność co do poprawności twierdzenia Hawkinga.
Prawdziwa natura przestrzeni i czasu
Potwierdzając twierdzenie Hawkinga, wyniki wskazują również na powiązania z drugą zasadą termodynamiki. Prawo to głosi, że właściwość mierząca nieuporządkowanie układu, znana jako entropia, musi rosnąć lub przynajmniej pozostawać stała w czasie.
To naprawdę głębokie, że rozmiar horyzontu zdarzeń czarnej dziury zachowuje się jak entropia. Ma to bardzo głębokie implikacje teoretyczne i oznacza, że niektóre aspekty czarnych dziur można wykorzystać do matematycznego zbadania prawdziwej natury przestrzeni i czasu – mówi Isi.
Zrozumienie termodynamiki czarnych dziur może doprowadzić do postępów w innych dziedzinach fizyki, w tym w kwantowej grawitacji, której celem jest połączenie ogólnej teorii względności z fizyką kwantową.
Wielu podejrzewa, że przyszłe detekcje łączenia się czarnych dziur ujawnią jeszcze więcej na temat natury tych obiektów. W ciągu najbliższej dekady detektory mają stać się dziesięciokrotnie bardziej czułe niż obecnie, co umożliwi dokładniejsze testy właściwości czarnych dziur.
Główna ilustracja: Zderzenie i połączenie dwóch czarnych dziur generuje fale grawitacyjne. Fale te można wykryć za pomocą czułych instrumentów na Ziemi, co pozwala naukowcom określić masę i spin czarnych dziur. Ilustracja: Maggie Chiang dla Fundacji Simonsa
