Astronomii au detectat o coliziune între două găuri negre cu un nivel de detaliu fără precedent. Astfel, au obținut cea mai clară privire de până acum asupra naturii acestor enigme cosmice și au confirmat teorii formulate în urmă cu mai multe decenii de fizicienii legendari Albert Einstein și Stephen Hawking, relatează CNN.
Evenimentul, supranumit GW250114, a devenit cunoscut în luna ianuarie, când cercetătorii l-au detectat cu ajutorul Observatorului Interferometru Laser pentru Unde Gravitaționale (LIGO) – un set de două instrumente astronomice identice aflate în Livingston, Louisiana, și Hanford, Washington.
Instrumentele au detectat unde gravitaționale, ondulații subtile în țesătura spațiu-timp produse de ciocnirea celor două găuri negre.
Căutarea undelor gravitaționale – fenomene prezise în 1915 ca parte a teoriei relativității a lui Einstein – este singura modalitate de a identifica coliziuni de găuri negre de pe Pământ.
Legendarul fizician Albert Einstein credea că undele ar fi prea slabe pentru a fi detectate vreodată de tehnologia umană, dar în septembrie 2015 LIGO le-a înregistrat pentru prima dată, ceea ce a adus ulterior Premiul Nobel pentru trei oameni de știință care au avut contribuții esențiale la dezvoltarea acestui „telescop pentru găuri negre”.
Găurile negre detectate recent aveau fiecare între 30 și 35 de ori masa Soarelui și se roteau foarte lent, a declarat Maximiliano Isi, asistent universitar de astronomie la Universitatea Columbia și astrofizician la Centrul pentru Astrofizică Computațională al Institutului Flatiron din New York. Isi a condus un nou studiu al colaborării LIGO-Virgo-KAGRA asupra datelor GW250114, publicat miercuri în revista Physical Review Letters.
„Găurile negre erau la aproximativ 1 miliard de ani-lumină distanță și orbitau una în jurul celeilalte într-un cerc aproape perfect. Gaura neagră rezultată a avut în jur de 63 de ori masa Soarelu și se rotea cu 100 de mișcări de revoluție pe secundă”, a explicat Isi pentru CNN.
Aceste caracteristici fac din eveniment o replică aproape exactă a primei descoperiri revoluționare de acum 10 ani, a precizat Isi.
„Dar acum, deoarece instrumentele s-au îmbunătățit atât de mult, putem observa aceste două găuri negre cu mult mai multă claritate, în timp ce se apropiau una de alta și se contopeau într-una singură”, a adăugat astrofizicianul.
Isi a spus că observația le oferă oamenilor de știință o perspectivă complet nouă asupra „dinamicii spațiului și timpului”.
Einstein și „sunetul” unei găuri negre
LIGO, care are și două instrumente-satelit – Virgo în Italia și KAGRA în Japonia – este gestionat de o comunitate științifică globală formată din aproximativ 1.600 de cercetători.
Acesta funcționează prin detectarea unor întinderi minuscule ale spațiului cauzate de undele gravitaționale, „o schimbare de distanță de 1.000 de ori mai mică decât raza nucleului unui atom”, după cum explică Isi.
Cu ajutorul său, oamenii de știință au observat până acum peste 300 de fuziuni de găuri negre.
La începutul acestui an, instrumentul a detectat cea mai masivă coliziune de până acum, între două găuri negre de circa 100 și 140 de ori masa Soarelui.
De la inaugurarea sa, unele dintre componentele cheie ale LIGO – inclusiv laserele și oglinzile – au fost modernizate pentru a spori precizia și a reduce zgomotul de fond.
Această performanță îmbunătățită a făcut ca noua observație să fie de peste trei ori mai precisă decât cea din urmă cu un deceniu.
Această claritate fără precedent le-a permis astronomilor să folosească GW250114 pentru a confirma teorii despre găurile negre formulate de fizicieni de renume.
Prima teorie, elaborată de matematicianul neozeelandez Roy Kerr în 1963, pe baza teoriei relativității generale a lui Einstein, afirmă că găurile negre ar trebui să fie, paradoxal, obiecte simple, care pot fi descrise într-o singură ecuație.
„Da, găurile negre sunt foarte misterioase, complexe și au implicații importante pentru evoluția universului, dar din punct de vedere matematic credem că ele pot fi descrise complet doar prin două numere: masa și rotația. Tot ce este de știut despre ele derivă din aceste două caracteristici”, a explicat Is.
Pentru a testa această teorie, oamenii de știință au folosit un aspect unic al coliziunilor de găuri negre: „rezonanța” sau vibrația – asemenea unui clopot lovit – pe care o produce gaura neagră finală.
„Dacă ai un clopot și îl lovești cu un ciocan, va răsuna.Tonul și durata sunetului îți spun ceva despre materialul din care este făcut clopotul. Cu găurile negre se întâmplă ceva similar – ele «sună» în unde gravitaționale”, a spus Isi.
Această „rezonanță” include informații despre structura găurii negre și a spațiului din jur, a adăugat Isi. Deși fenomenul a fost observat vag înainte, GW250114 a oferit un semnal cu „două moduri … unul fundamental și un supraton” mult mai clare.
„Am identificat două componente ale acestei rezonanțe, ceea ce ne-a permis să testăm că această gaură neagră poate fi descrisă doar prin masă și rotație. Iar acest lucru este fundamental pentru înțelegerea noastră a modului în care funcționează spațiul și timpul – ideea că găurile negre ar trebui să fie lipsite de alte caracteristici. Este pentru prima dată când putem vedea acest lucru atât de convingător”, a explicat Isi.
Teorema suprafeței lui Hawking
A doua teorie confirmată de GW250114 este cea formulată în 1971 de fizicianul britanic Stephen Hawking, care afirmă că atunci când două găuri negre se contopesc, aria suprafeței rezultante trebuie să fie egală sau mai mare decât suma ariilor inițiale.
„Este o teoremă profundă, dar foarte simplă, care spune că suprafața totală a unei găuri negre nu poate scădea niciodată – ea poate doar crește sau rămâne constantă”, a spus Isi.
Deși observațiile anterioare ale LIGO ofereau doar confirmări parțiale ale teoremei, claritatea noului semnal le oferă cercetătorilor o încredere fără precedent că teoria lui Hawking se confirmă, a adăugat acesta.
„Pentru că am reușit să identificăm partea din semnal provenită de la găurile negre aflate încă la distanță, putem deduce ariile acestora. Apoi putem analiza partea finală a semnalului, provenită de la gaura neagră rezultată, și îi putem măsura aria”, a explicat procesul astrofizicianul.
La fel ca ecuația lui Kerr, teorema lui Hawking are ca fundament teoria lui Einstein: „Teoriile lui Einstein sunt ca un sistem de operare pentru toate acestea”, a spus Isi.
Kip Thorne, unul dintre cei trei laureați ai Premiului Nobel pentru contribuțiile la LIGO, a povestit că Hawking l-a sunat imediat ce a aflat despre detectarea undelor gravitaționale în 2015 pentru a întreba dacă LIGO ar putea să-i testeze teorema. „Dacă Hawking ar fi fost în viață, s-ar fi bucurat enorm să vadă aria găurilor negre crescând după contopire”, a spus Thorne despre reputatul fizician, care a murit în 2018.
Este remarcabil cum această muncă teoretică fundamentală este confirmată decenii mai târziu cu instrumente avansate, a subliniat Isi. Confirmarea teoremei lui Hawking ar putea avea implicații pentru unul dintre cele mai dorite obiective ale fizicii – unificarea teoriei relativității generale, care descrie gravitația, cu mecanica cuantică, ce descrie lumea subatomică.
„LIGO a creat o ramură complet nouă a astronomiei. A revoluționat modul în care gândim despre obiectele compacte, în special găurile negre. Înainte ca LIGO să fie activ, oamenii nici măcar nu erau siguri că găurile negre se pot contopi și forma în acest mod”, a explicat Isi.
Un descoperire științifică îndelung așteptată
Undele gravitaționale sunt extrem de slabe, iar sarcina titanică de a le detecta este adesea descrisă ca o căutare a acului în carul cu fân, a explicat Emanuele Berti, profesor de fizică și astronomie la Universitatea Johns Hopkins, care nu a participat la studiu. El a comparat detectoarele LIGO cu „aparate auditive” care ajută oamenii de știință la 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. Acum putem testa principii fundamentale ale gravitației pe care nu le puteam testa acum zece ani”, a spus el pentru CNN.
Printre aceste principii, a adăugat el, se află ideea că găurile negre sunt cele mai simple obiecte macroscopice din univers. Nivelul de detaliu din „rezonanța” produsă de coliziunea GW250114 le permite oamenilor de știință să afirme cu încredere că obiectul final este în concordanță cu găurile negre descrise de relativitatea generală a lui Einstein, ceea ce Berti consideră „extrem de palpitant”.
Leor Barack, profesor de fizică matematică la Universitatea din Southampton, Marea Britanie, care de asemenea nu a fost implicat în studiu, a remarcat că, dintre cele peste 300 de fuziuni de găuri negre înregistrate de LIGO, acesta este „în mod special spectaculos” și a numit noul studiu o analiză mult așteptată. Oamenii de știință au reușit să extragă două „tonuri pure” ale găurii negre reziduale în timp ce se stabiliza în forma finală.
„Aceasta a inclus, pentru prima dată, o extragere clară a primului «supraton», un sunet armonic mai slab al găurii negre, pe lângă tonul principal. Acest tip de test este de departe cel mai precis de până acum”, a spus el. „
Studiul reprezintă un reper semnificativ în astronomia undelor gravitaționale, a afirmat și Macarena Lagos, asistent universitar la Institutul de Astrofizică al Universității Andrés Bello din Chile, care de asemenea nu a fost implicată în cercetare.
Ea a subliniat că detectarea unui al doilea ton în „rezonanța” găurii negre este deosebit de importantă, adăugând că GW250114 demonstrează succesul îmbunătățirilor continue ale LIGO și arată că detecțiile undelor gravitaționale pot testa fizica fundamentală în moduri fără precedent.
„Deși testele actuale ale gravitației încă au incertitudini largi, această lucrare pune bazele pentru detecții viitoare de o calitate și mai bună, așteptate în anii următori. Aceste observații viitoare promit să ofere teste mai precise ale înțelegerii noastre despre spațiu-timp și gravitație”, a spus Lagos pentru CNN.
Ştiri video recomandate
