Astronomii au detectat o coliziune între două găuri negre cu detalii fără precedent, oferind cea mai clară imagine de până acum asupra naturii acestor ciudățenii cosmice și confirmând predicțiile de mult timp făcute de legendarii fizicieni Albert Einstein și Stephen Hawking.
Evenimentul, denumit GW250114, a devenit cunoscut în ianuarie, când cercetătorii l-au observat cu ajutorul Observatorului de Unde Gravitaționale cu Interferometru Laser (LIGO) – un set de două instrumente identice situate în Livingston, Louisiana și Hanford, Washington. Instrumentele au detectat unde gravitaționale, ondulații slabe în spațiu-timp produse de ciocnirea celor două găuri negre.
Căutarea undelor gravitaționale — ondulații în spațiu-timp prezise pentru prima dată în 1915 ca parte a teoriei relativității a lui Einstein — rămâne singura modalitate de a detecta coliziunile găurilor negre de pe Pământ. Deși Einstein însuși credea că undele ar fi prea slabe pentru a fi vreodată măsurate, în septembrie 2015, Observatorul de Unde Gravitaționale cu Interferometru Laser ( LIGO ) le-a înregistrat pentru prima dată. Descoperirea istorică a adus ulterior trei oameni de știință Premiul Nobel pentru Fizică pentru contribuțiile lor de pionierat la ceea ce a devenit cunoscut ulterior sub numele de „telescop pentru găuri negre”.
În cadrul acestui eveniment recent analizat, găurile negre aflate în coliziune aveau fiecare o masă de aproximativ 30 până la 35 de ori mai mare decât masa soarelui și se roteau foarte încet, potrivit lui Maximiliano Isi , profesor asistent de astronomie la Universitatea Columbia și astrofizician la Centrul pentru Astrofizică Computațională al Institutului Flatiron din New York. Isi a condus cel mai recent studiu asupra semnalului GW250114 , ca parte a colaborării LIGO-Virgo-KAGRA. Rezultatele au fost publicate miercuri în revista Physical Review Letters .
„Găurile negre se aflau la aproximativ 1 miliard de ani-lumină distanță și orbitau una în jurul celeilalte într-un cerc aproape perfect”, a spus Isi. „Gaura neagră rezultată avea o masă de aproximativ 63 de ori mai mare decât cea a soarelui și se învârtea cu 100 de rotații pe secundă.”
Aceste caracteristici fac din fuziune o replică aproape exactă a acelei prime detectări revoluționare de acum 10 ani, potrivit lui Isi. „Dar acum, deoarece instrumentele s-au îmbunătățit atât de mult de atunci, putem vedea aceste două găuri negre cu o claritate mult mai mare, pe măsură ce s-au apropiat una de cealaltă și s-au contopit într-una singură”, a adăugat el.
Isi a spus că observația le oferă oamenilor de știință o perspectivă complet nouă asupra „dinamicii spațiului și timpului”.
Einstein și un inel în două tonuri
LIGO — împreună cu observatoarele sale surori, Virgo din Italia și KAGRA din Japonia — este condus de o rețea globală de aproximativ 1.600 de cercetători . Detectoarele funcționează prin măsurarea unor întinderi de spațiu inimaginabil de mici cauzate de trecerea undelor gravitaționale, deplasări atât de mici încât reprezintă „o schimbare de distanță de 1.000 de ori mai mică decât raza nucleului unui atom ”, a explicat Isi.
De la detectarea inovatoare din 2015, colaborarea a înregistrat peste 300 de fuziuni de găuri negre . La începutul acestui an, oamenii de știință au anunțat cea mai masivă coliziune de până acum: o fuziune între două găuri negre cu o masă de aproximativ 100 și 140 de ori mai mare decât masa soarelui .
De la debutul său, unele dintre componentele cheie ale LIGO – inclusiv laserele și oglinzile sale – au fost modernizate pentru a crește precizia și a reduce zgomotul de fundal. Această performanță îmbunătățită a făcut ca noua sa observație să fie de peste trei ori mai precisă decât cea inaugurală de acum un deceniu.
Această claritate fără precedent le-a permis astronomilor să folosească GW250114 pentru a confirma predicțiile despre găurile negre făcute cu zeci de ani în urmă de fizicieni proeminenți.
Prima predicție, elaborată de matematicianul neozeelandez Roy Kerr în 1963, se bazează pe teoria relativității generale a lui Einstein și afirmă că găurile negre ar trebui să fie obiecte paradoxal simple, descrise de o singură ecuație.
„Da, găurile negre sunt foarte misterioase, complexe și au implicații importante pentru evoluția universului”, a spus Isi, „dar matematic credem că ar trebui descrise complet prin doar două numere. Tot ce putem ști despre ele ar trebui să provină din cât de mare este gaura neagră – sau care este masa sa – și cât de repede se rotește.”
Pentru a testa această teorie, cercetătorii au folosit o caracteristică unică a coliziunilor găurilor negre: un „sunător” sau o vibrație – ca un clopot lovit – pe care o produce gaura neagră finală. „Dacă ai un clopot și îl lovești cu un ciocan, acesta va suna”, a remarcat Isi. „Tonalitatea și durata sunetului, caracteristicile sunetului, îți spun ceva despre din ce este făcut clopotul. Cu găurile negre se întâmplă ceva similar – ele sună în unde gravitaționale.”
„Acest semnal sonor include informații despre structura găurii negre și a spațiului din jurul acesteia”, a adăugat Isi. Deși fenomenul a fost observat anterior în mod slab, GW250114 a returnat un semnal cu „două moduri… un mod fundamental și un supraton” cu mult mai multă claritate.
„Am identificat două componente ale acestei sonerii, iar acest lucru ne-a permis să testăm dacă această gaură neagră este într-adevăr compatibilă cu descrierea prin doar două numere, masa și rotația”, a spus el. „Și acest lucru este fundamental pentru înțelegerea modului în care funcționează spațiul și timpul – faptul că aceste găuri negre ar trebui să fie lipsite de caracteristici, într-un fel. Este prima dată când putem vedea acest lucru atât de convingător.”
Teorema suprafeței lui Hawking
A doua predicție confirmată de GW250114 este una făcută în 1971 de fizicianul britanic Stephen Hawking, care afirmă că atunci când două găuri negre se contopesc, suprafața rezultată trebuie să fie egală sau mai mare decât cea a găurilor negre originale.
„Este o teoremă profundă, dar foarte simplă, care spune că suprafața totală a unei găuri negre nu poate niciodată să scadă – poate doar să crească sau să rămână la fel”, a spus Isi.
Deși observațiile LIGO anterioare au oferit confirmări provizorii ale teoremei, claritatea acestui nou semnal oferă cercetătorilor o încredere de neegalat, a spus Isi.
„Deoarece suntem capabili să identificăm din timp porțiunea semnalului care provine de la găurile negre, pe măsură ce acestea sunt separate unele de altele, putem deduce ariile lor din aceasta”, a explicat el. „Apoi putem analiza ultima porțiune a semnalului care provine de la gaura neagră finală și să-i măsurăm propria arie.”
La fel ca ecuația lui Kerr, teorema lui Hawking folosește ca fundament și munca lui Einstein: „Teoriile lui Einstein sunt ca sistemul de operare pentru toate acestea”, a explicat Isi.
Kip Thorne, unul dintre cei trei laureați ai Premiului Nobel pentru contribuții la LIGO, a declarat că Hawking l-a sunat imediat ce a aflat despre detectarea undelor gravitaționale din 2015 pentru a-l întreba dacă LIGO ar putea să-i testeze teorema. „Dacă Hawking ar fi fost în viață, s-ar fi bucurat să vadă cum suprafața găurilor negre fuzionate crește”, a spus Thorne despre stimatul fizician, care a murit în 2018, într-o declarație despre noile descoperiri.
„Este remarcabil cum această lucrare teoretică fundamentală este confirmată, decenii mai târziu, cu instrumente avansate”, a spus Isi. „Iar confirmarea ecuației lui Hawking”, a adăugat el, „ar putea avea implicații pentru un obiectiv foarte căutat în fizică – combinarea teoriei aparent incompatibile a relativității generale, care descrie gravitația, cu mecanica cuantică, care se referă la lumea subatomică.”
„LIGO a creat o ramură complet nouă a astronomiei. A revoluționat modul în care gândim despre obiectele compacte, în special despre găurile negre”, a spus el. „Înainte ca LIGO să fie lansat, oamenii nici măcar nu erau siguri că găurile negre se pot contopi, prăbuși și forma în acest fel.”
O piatră de hotar mult așteptată
Undele gravitaționale sunt foarte slabe, iar sarcina titanică de a le detecta este adesea descrisă ca și cum ai căuta un ac în carul cu fân, potrivit lui Emanuele Berti, profesor de fizică și astronomie la Universitatea Johns Hopkins, care nu a fost implicat în studiu. El a descris detectoarele LIGO drept „aparate auditive” care ajută în acest proces.
„Un grup numeros de oameni de știință a petrecut ultimii zece ani îmbunătățind aceste aparate auditive, iar acum putem «auzi» semnalele cu o claritate mult mai mare”, a spus el într-un e-mail. „Putem acum testa principiile fundamentale ale gravitației pe care nu le puteam testa acum zece ani.”
Printre aceste principii, a adăugat el, se numără ideea că găurile negre sunt cele mai simple obiecte macroscopice din univers. Nivelul de detaliu al „inelării” produse de coliziunea GW250114 înseamnă că oamenii de știință pot afirma cu încredere că obiectul final este în concordanță cu găurile negre prezise de relativitatea generală a lui Einstein, ceea ce Berti consideră „teribil de interesant”.
Leor Barack, profesor de fizică matematică la Universitatea din Southampton, Anglia, care nici el nu a participat la studiu, a remarcat că, printre cele peste 300 de evenimente de fuziune a găurilor negre înregistrate de LIGO, cel mai recent se remarcă ca fiind „deosebit de spectaculos” și numește noul studiu o analiză mult așteptată. Oamenii de știință au reușit să extragă două dintre „tonurile pure” ale găurii negre rămase, pe măsură ce aceasta se stabiliza în forma sa finală, a adăugat Barack.
„Aceasta a inclus, pentru prima dată, o extragere clară a primului «supraton», un sunet armonios mai slab al găurii de sunet, pe lângă tonul primar”, a spus el. „Acest tip de test este cel mai precis de până acum, cu o marjă lungă.”
Studiul reprezintă o piatră de hotar semnificativă în astronomia undelor gravitaționale, a declarat Macarena Lagos, profesor asistent la Institutul de Astrofizică al Universității Andrés Bello din Chile. Lagos nu a fost implicat nici el în această lucrare.
Ea a fost de acord că detectarea unui al doilea ton în gaura neagră „inelară” este deosebit de semnificativă, adăugând că GW250114 demonstrează succesul îmbunătățirilor continue ale LIGO și arată că detecțiile undelor gravitaționale pot testa fizica fundamentală în moduri nemaiîntâlnite până acum.
„Deși testele actuale privind gravitația prezintă încă incertitudini mari, această lucrare pune bazele pentru viitoare detectări” de o calitate și mai bună, așteptate în următorii ani, a declarat Lagos într-un e-mail. „Aceste observații viitoare promit să ofere teste mai precise ale înțelegerii noastre asupra spațiu-timpului și gravitației.”
