Νέα ανάλυση βαρυτικών κυμάτων επιβεβαιώνει τη θεωρία των συγχωνευόμενων μαύρων τρυπών

Δέκα χρόνια μετά την πρώτη ανίχνευση από επιστήμονες βαρυτικών κυμάτων που προέρχονταν από τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών, η ερευνητική ομάδα LIGO-Virgo-KAGRA, στην οποία συμμετέχει ο καθηγητής αστρονομίας του Πανεπιστημίου Columbia Maximiliano Isi, κατέγραψε ένα σήμα από μια σχεδόν πανομοιότυπη σύγκρουση μαύρων τρυπών.

Οι βελτιώσεις στην τεχνολογία ανίχνευσης επέτρεψαν στους ερευνητές να παρατηρήσουν τις μαύρες τρύπες σχεδόν τέσσερις φορές πιο καθαρά σε σύγκριση με πριν από μια δεκαετία, και να επιβεβαιώσουν δύο σημαντικές θεωρητικές προβλέψεις: Ότι οι συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες είτε αυξάνονται είτε παραμένουν σταθερές σε μέγεθος – όπως είχε προβλέψει ο Στίβεν Χόκινγκ – και ότι, όταν διαταράσσονται, δονούνται σαν καμπάνα, όπως προέβλεπε η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν.

«Αυτό το απίστευτα καθαρό σήμα από τη συγχώνευση μαύρης τρύπας, γνωστό ως GW250114, θέτει σε δοκιμασία μερικές από τις πιο σημαντικές υποθέσεις μας για τις μαύρες τρύπες και τα βαρυτικά κύματα», δήλωσε ο Isi.

Η πρόβλεψη του Stephen Hawking για τον ορίζοντα γεγονότων

Το 1971, ο Στίβεν Χόκινγκ είχε προβλέψει ότι ο ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας – το εξωτερικό της όριο, πέρα από το οποίο τίποτα, ούτε το φως, δεν μπορεί να διαφύγει – δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί σε μέγεθος.

Το 2021, χρησιμοποιώντας δεδομένα από τον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων LIGO, ο Isi και οι συνεργάτες του μελέτησαν τα βαρυτικά κύματα – υψηλής ενέργειας κυματισμούς στο χωροχρόνο – που εκπέμπονται από τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών, για να επιβεβαιώσουν παρατηρησιακά τη θεωρία του Χόκινγκ . Οι New York Times έγραψαν τότε ότι, αν η επιβεβαίωση αυτή είχε έρθει πριν τον θάνατο του Hawking, ίσως να του είχε χαρίσει το Βραβείο Νόμπελ.

Επιβεβαίωση με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια

Τα νέα αποτελέσματα, που δημοσιεύτηκαν στο Physical Review Letters, επιβεβαιώνουν το προηγούμενο αυτό εύρημα με πολύ υψηλότερη ακρίβεια, προσφέροντας περαιτέρω στοιχεία ότι η επιφάνεια μιας συγχωνευμένης μαύρης τρύπας δεν είναι ποτέ μικρότερη από το άθροισμα των δύο αρχικών μαύρων τρυπών που τη δημιούργησαν. Το νέο άρθρο κατάφερε αυτή την άνευ προηγουμένου ακρίβεια χρησιμοποιώντας δεδομένα από και τους δύο ανιχνευτές LIGO, ο ένας εκ των οποίων βρίσκεται στην πολιτεία Ουάσινγκτον και ο άλλος στη Λουιζιάνα.

Ανάλυση των κυμάτων μετά τη συγχώνευση

Οι ερευνητές κατάφεραν επίσης να απομονώσουν και να αναλύσουν τα βαρυτικά κύματα που εξέπεμψαν οι μαύρες τρύπες μετά τη συγχώνευση. Μετρώντας τη συχνότητα και τη διάρκεια των κυμάτων, κατάφεραν να αποσπάσουν περισσότερες λεπτομέρειες για τη δομή και τις ιδιότητες της τελικής μαύρης τρύπας. (Η διαδικασία λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο με την ανάλυση του ήχου που παράγει ένα κοίλο μουσικό όργανο, από την οποία μπορεί κανείς να συμπεράνει το μέγεθος και το σχήμα τόσο του οργάνου όσο και του αντικειμένου που το χτύπησε.)

Επιβεβαίωση της ύπαρξης της μαύρης τρύπας τύπου Kerr

Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι η συγχωνευμένη μαύρη τρύπα είναι συνεπής με αυτό που είναι γνωστό ως «μαύρη τρύπα τύπου Kerr». Ο μαθηματικός Roy Kerr, τη δεκαετία του 1960, έλυσε τις εξισώσεις του Einstein για τον χωροχρόνο, προτείνοντας μια λεπτομερή μαθηματική λύση για το πώς θα πρέπει να είναι η ακριβής βαρύτητα, ο χώρος και ο χρόνος γύρω από μια μαύρη τρύπα.

Οι φυσικοί πιστεύουν ότι όλες οι μαύρες τρύπες πρέπει να περιγράφονται από τη λύση του Kerr, αλλά η επιβεβαίωση αυτού είναι γνωστό ότι είναι εξαιρετικά δύσκολη. Μελετώντας τις δονήσεις της τελικής μαύρης τρύπας σε αυτό το εξαιρετικά καθαρό σήμα, ο Isi και η συνεργασία LIGO απέκτησαν τις πιο άμεσες αποδείξεις μέχρι σήμερα ότι οι μαύρες τρύπες συμπεριφέρονται όπως είχε προβλέψει ο Kerr.

«Κατά την επόμενη δεκαετία, οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων όπως το LIGO θα συνεχίσουν να βελτιώνονται, δίνοντάς μας μια πιο καθαρή εικόνα των μαύρων τρυπών και των μυστηρίων τους», δήλωσε ο Isi. «Ανυπομονώ να δω τι θα ανακαλύψουμε».