Astronomi su detektovali sudar dviju crnih rupa u neviđenim detaljima, pružajući najjasniji uvid do sada u prirodu ovih kosmičkih čudesa i potvrđujući dugogodišnje predviđanja legendarnih fizičara Alberta Einsteina i Stephena Hawkinga.
Događaj, nazvan GW250114, postao je poznat u januaru kada su ga istraživači primijetili pomoću Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), seta dvaju identičnih instrumenata smještenih u Livingstonu, Louisiana i Hanfordu, Washington. Instrumenti su detektovali gravitacione talase, blage poremećaje u prostor-vremenu proizvedene kada su se dvije crne rupe sudarile.
Traženje gravitacionih talasa, fenomena predviđenih 1915. kao dio Einsteinove teorije relativnosti, jedini je način da se identifikuju sudari crnih rupa sa Zemlje. Einstein je vjerovao da će talasi biti previše slabi da ih ikada uhvati ljudska tehnologija, ali u septembru 2015. LIGO ih je prvi put zabilježio, što je kasnije dovelo do Nobelove nagrade za trojicu naučnika koji su značajno doprinijeli razvoju ovog „teleskopa za crne rupe“.
Nedavno detektovane crne rupe imale su svaka oko 30 do 35 puta veću masu od Sunca i sporo su se okretale, rekao je Maximiliano Isi, asistent profesor astronomije na Columbiji i astrofizičar u Flatiron Institute-u u New Yorku. Isi je predvodio novu studiju LIGO-Virgo-KAGRA saradnje o GW250114 podacima, objavljenu u časopisu Physical Review Letters.
„Crne rupe su bile udaljene oko milijardu svjetlosnih godina i orbitali su jedna oko druge gotovo savršeno kružno. Rezultantna crna rupa imala je oko 63 puta veću masu od Sunca i okretala se 100 puta u sekundi“, rekao je Isi.
Ove karakteristike čine spajanje gotovo identičnim prvom revolucionarnom otkriću od prije 10 godina. „Ali sada, zahvaljujući poboljšanju instrumenata, možemo ih vidjeti s mnogo većom jasnoćom dok su se približavale i spojile u jednu“, dodao je.
Isi je rekao da ova opažanja pružaju naučnicima potpuno novi uvid u „dinamiku prostora i vremena“.
Einstein i dvotonski prsten
LIGO, koji ima i dvije manje sestrinske jedinice, Virgo u Italiji i KAGRA u Japanu, upravlja globalna naučna zajednica od oko 1.600 istraživača. Radi tako što detektuje male promjene u prostoru izazvane gravitacionim talasima, što je „promjena udaljenosti 1.000 puta manja od radijusa jezgra atoma“, kako Isi objašnjava.
Ranije ove godine, instrument je detektovao najveći sudar crnih rupa do sada, između crnih rupa mase oko 100 i 140 Sunca.
Unaprijeđena preciznost omogućila je astronomima da koriste GW250114 za potvrdu predviđanja o crnim rupama koje su decenijama ranije dali prominentni fizičari.
Prvo predviđanje, koje je 1963. dao matematičar Roy Kerr iz Novog Zelanda, kaže da crne rupe trebaju biti paradoksalno jednostavni objekti, opisani jednom jedinstvenom jednačinom.
„Da, crne rupe su veoma misteriozne i kompleksne, ali matematički mislimo da ih treba opisati samo s dva broja – koliko je velika crna rupa i koliko brzo se okreće“, rekao je Isi.
Za testiranje ove teorije, istraživači su iskoristili jedinstvenu karakteristiku sudara crnih rupa: „zvono“ ili vibraciju koju proizvodi finalna crna rupa. „Ako imate zvono i udarite ga čekićem, ono će zvoniti. Ton i trajanje zvuka govore vam od čega je zvono napravljeno. Kod crnih rupa se događa slično – zvone kroz gravitacione talase“, objasnio je Isi.
Hawkingov teorem površine
Drugo predviđanje potvrđeno GW250114 je ono koje je 1971. dao Stephen Hawking. Kaže da kada se dvije crne rupe spoje, ukupna površina rezultantne crne rupe mora biti jednaka ili veća od površina originalnih crnih rupa.
„To je jednostavan, ali dubok teorem: ukupna površina crne rupe nikad ne može da se smanji, može samo rasti ili ostati ista“, rekao je Isi.
Ova nova jasnoća signala daje istraživačima neuporedivu sigurnost u potvrdu Hawkingovog teorema.
„Pošto možemo identificirati dio signala koji dolazi od crnih rupa dok su odvojene, možemo odrediti njihove površine. Zatim gledamo finalni signal finalne crne rupe i mjerimo njenu površinu“, objasnio je.
Potvrđivanje Hawkingove jednačine moglo bi imati implikacije za jedno od najvećih ciljeva fizike, povezivanje opšte teorije relativnosti, koja opisuje gravitaciju, s kvantnom mehanikom, koja se odnosi na subatomski svijet.
„LIGO je stvorio potpuno novu granu astronomije. Revolucionirao je naše shvatanje kompaktnih objekata, posebno crnih rupa“, rekao je Isi. „Prije LIGO-a, ljudi nisu ni bili sigurni da li se crne rupe mogu sudariti i formirati na ovakav način.“
Prekretnica u nauci
Gravitacioni talasi su vrlo slabi, a detekcija se često opisuje kao traženje igle u plastu sijena. Emanuele Berti, profesor fizike i astronomije na Johns Hopkins University, opisao je LIGO detektore kao „slušne aparate“ koji pomažu u ovom procesu.
„Velika grupa naučnika je deset godina unapređivala te slušne aparate, i sada možemo ‘čuti’ signale s mnogo većom jasnoćom“, rekao je. „Sada možemo testirati fundamentalna načela gravitacije koja prije 10 godina nismo mogli testirati.“
Leor Barack, profesor matematičke fizike na University of Southampton, ističe da među više od 300 događaja sudara crnih rupa zabilježenih LIGO-om, ovaj je „posebno spektakularan“.
„Uključuje prvi ‘overtone’, slabiji harmonični ton, pored primarnog tona. Ovakav test je najprecizniji do sada“, dodao je.
Studija predstavlja značajnu prekretnicu u astronomiji gravitacionih talasa i potvrđuje da detekcije crnih rupa mogu testirati fundamentalnu fiziku na načine koji ranije nisu bili mogući.