Odkryli najgłośniejszy kosmiczny gong w historii. Einstein miał rację
Naukowcy odsłuchali kosmiczny gong po zderzeniu czarnych dziur i wykorzystali go do najdokładniejszego testu teorii względności. Einstein znów miał rację. Cóż za zaskoczenie.
Wszechświat znów jest po stronie Einsteina. Rekordowo wyraźny sygnał fal grawitacyjnych z kolizji dwóch czarnych dziur (zdarzenia oznaczonego jako GW250114) pozwolił fizykom zajrzeć w ostatnie chwile tego kosmicznego starcia z precyzją, o jakiej jeszcze kilka lat temu można było tylko marzyć. I choć naukowcy szukali w nim pęknięć w ogólnej teorii względności, znowu usłyszeli dobrze znaną melodię: Einstein się nie myli.
Najgłośniejsze zderzenie czarnych dziur w historii
W 2025 r. sieć detektorów fal grawitacyjnych (w tym amerykańskie obserwatoria LIGO i europejski Virgo) zarejestrowała sygnał, który natychmiast wyróżnił się z kosmicznego szumu. Zdarzenie oznaczono jako GW250114. Za tym technicznym symbolem kryje się najbardziej hałaśliwe w języku fizyki zderzenie dwóch czarnych dziur, jakie kiedykolwiek udało się zaobserwować.
Fale grawitacyjne to mikroskopijne zmarszczki w czasoprzestrzeni, czyli w elastycznej tkaninie łączącej przestrzeń i czas, którą opisał Einstein. Kiedy bardzo masywne obiekty, np. czarne dziury, gwałtownie się poruszają, wysyłają w kosmos takie zmarszczki, a Ziemia od czasu do czasu wpada prosto w ich front falowy. Wtedy długie na kilka kilometrów ramię detektora wydłuża się i skraca o ułamki średnicy protonu. To właśnie te niemal niewyobrażalnie małe zmiany długości potrafią dziś zmierzyć współczesne interferometry laserowe.
Od pierwszej detekcji fal grawitacyjnych w połowie minionej dekady technologia znacznie się rozwinęła. Nowe generacje luster, lepsze systemy tłumienia drgań i bardziej wyrafinowane algorytmy analizy danych sprawiły, że GW250114 trafiło do detektorów jako sygnał wyjątkowo czysty, o wysokim stosunku sygnału do szumu. Dla fizyków zajmujących się testowaniem teorii grawitacji był to dosłownie prezent z kosmosu.
Jak brzmi czarna dziura po zderzeniu?
Każda kolizja czarnych dziur rozgrywa się tak naprawdę w trzech aktach. Najpierw układ przypomina swego rodzaju kosmiczny taniec: dwa obiekty krążą wokół wspólnego środka masy coraz szybciej, tracąc energię właśnie w postaci fal grawitacyjnych. Potem następuje sam zlew – moment, w którym horyzonty zdarzeń łączą się w jedną powierzchnię i rodzi się nowa, większa czarna dziura. Trzeci akt to tzw. dzwonienie: świeżo uformowany obiekt drga i uspokaja się, jak metalowy gong chwilę po uderzeniu.
To właśnie ten ostatni etap był dotąd najsłabszym punktem obserwacji. Drobne oscylacje nowej czarnej dziury ginęły w szumie detektorów, przez co trudno było porównywać je z tym, co przewidują równania ogólnej teorii względności. GW250114 okazało się przełomowe, bo gong był w nim na tyle wyraźny, że wreszcie dało się go zmierzyć nutka po nutce.
Zespół kierowany przez Keefe’a Mitmana przygotował szczegółowe symulacje numeryczne – komputerowe rozwiązania słynnych, niezwykle skomplikowanych równań Einsteina dla dwóch zlewających się czarnych dziur. Z takich obliczeń można wyciągnąć konkretną prognozę: jakie częstotliwości powinny mieć drgania nowo powstałej czarnej dziury i jak głośne (w języku fizyki: o jakich amplitudach) powinny być poszczególne tony dzwonienia.
Kiedy badacze nałożyli na siebie tę teoretyczną partyturę i rzeczywisty, zarejestrowany sygnał GW250114, okazało się, że kreski na pięciolinii niemal się pokrywają. Amplitudy i częstotliwości w danych eksperymentalnych pasowały do przewidywań ogólnej teorii względności z zadziwiającą dokładnością.
Ogólna teoria względności pod lupą
Ogólna teoria względności ma już ponad 100 lat, a wciąż jest złotym standardem, jeśli chodzi o opis grawitacji. To właśnie ona mówi, że masa zakrzywia czasoprzestrzeń, a ruch ciał jest po prostu podążaniem po wygiętej geometrii. Do tej pory teoria Einsteina przeszła wiele testów: od ruchu planet w Układzie Słonecznym, przez wpływ grawitacji na bieg zegarów, aż po delikatne soczewkowanie światła przez masywne galaktyki.
Fale grawitacyjne otworzyły jednak zupełnie nowy front badań. Zamiast spokojnych układów możemy teraz obserwować najbardziej ekstremalne zjawiska we wszechświecie: kolizje czarnych dziur i gwiazd neutronowych, gdzie grawitacja działa w skali, która wcześniej była dla nas czysto teoretyczna. To właśnie tam najłatwiej byłoby zobaczyć, że coś w równaniach Einsteina jednak się nie zgadza.
GW250114 pozwoliło sprawdzić teorię w jednym z takich ekstremalnych reżimów. Współczesne detektory nadal mają jednak swoje ograniczenia. Sygnał, choć wyjątkowo silny jak na fale grawitacyjne, jest wciąż bardzo delikatny z punktu widzenia elektroniki i optyki. Naukowcy podkreślają, że nie są w stanie wykluczyć drobnych odchyleń – rzędu mniej niż 10 proc. – od przewidywań teorii. To nie tyle zarzut pod adresem Einsteina, ile uczciwe przyznanie, że nasze instrumenty nie wyciskają jeszcze z fizyki absolutnego maksimum.
Przeczytaj także:
Istotne jest tu to, jak będą zachowywać się przyszłe dane. Jeżeli kolejne, jeszcze głośniejsze zderzenia będą konsekwentnie układać się w tę samą opowieść, słupki błędów będą się stopniowo zacieśniać wokół zera, a ogólna teoria względności umocni swoją pozycję jak nigdy dotąd. Jeśli jednak pojawi się uporczywy, powtarzalny fałszywy ton, który nie pasuje do równania Einsteina, fizyków czeka prawdziwa rewolucja.
