W lutym tego roku astronomowie dokonali monumentalnego odkrycia. Niemal sto lat po ich przepowiedni Alberta Einsteina naukowcy w końcu odkryli fale grawitacyjne - „zmarszczki w czasoprzestrzeni”, oświetlane promieniowaniem dwóch łączących się czarnych dziur. Ta obserwacja była bardzo wyraźnym potwierdzeniem ogólnej teorii względności Einsteina, ale jednocześnie to wydarzenie było odważnym dowodem na to, że prawa tej teorii przestają działać, gdy tylko osiągną horyzont zdarzeń czarnych dziur.
Od lutego tego roku Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) zaobserwowało trzykrotnie fale grawitacyjne. Naukowcy w końcu dokładnie przyjrzeli się odkryciom i teraz twierdzą, że znaleźli dowody na tak zwane „echa” w falach, które podważają przewidywania Einsteina dotyczące czarnych dziur.
Te stwierdzenia są obecnie publikowane w naukowej bibliotece internetowej ArXiv.org, gdzie mogą być analizowane przez innych członków społeczności fizyków, zanim zostaną przedstawione do recenzji. Dlatego istnieje bardzo realne prawdopodobieństwo znalezienia nowych faktów w ramach zewnętrznego spojrzenia na dane dotyczące obserwacji tych ech. Ponadto przedstawionym dowodom podano dokładność 5 Sigma, co jest złotym standardem w świecie fizyki. Oznacza to, że na 3,5 miliona istnieje jedna możliwość, że obserwacje są czystym zbiegiem okoliczności.
Jeśli jednak inne badania wykażą, że to "echo" faktycznie występuje, wówczas dla fizyki będzie to ogromne wydarzenie. Wcześniej sugerowano, że prawa ogólnej teorii względności rozpadają się na drobne cząstki, gdy zbliżają się do centrum czarnych dziur, ale to odkrycie pokaże, że prawa te również przestają działać na granicach tych zjawisk czasoprzestrzennych. Jeśli tak jest, to może to być początek narodzin praw zupełnie nowej fizyki.
„Odkrycie LIGO i innych organizacji w perspektywie daje niesamowitą okazję do zbadania nowych praw fizycznych” - mówi Steve Giddings, badacz czarnych dziur na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, który nie był zaangażowany w opisane dzisiaj badanie.
Jeśli echa okażą się fałszywe, wówczas ogólna teoria względności będzie musiała przejść tylko kolejny test. Od dziesięcioleci fizycy próbowali dostosować czarne dziury do tej teorii, próbując znaleźć sposoby, które zintegrowałyby ją z mechaniką kwantową, ale teoria Einsteina do tej pory dobrze sobie radziła.
Ale zanim przejdziemy dalej do dyskusji, zrozummy, czym są te echa i jak odnoszą się do ogólnej teorii względności.
Wszystko sprowadza się do tak zwanego paradoksu informacyjnego czarnych dziur. Zgodnie z teorią Einsteina wszystko, co przekracza horyzont zdarzeń czarnych dziur, powinno zniknąć, nie pozostawiając nic po sobie. W tradycyjnym sensie oznacza to, że nic, nawet światło, nie jest w stanie wydostać się z czarnej dziury (stąd tak na marginesie nazwa tego obiektu).
Film promocyjny:
Ostatnio naukowcy byli bardzo zaskoczeni testowaniem tej teorii. Rzeczywiście, zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, materia pochłonięta przez czarną dziurę może w rzeczywistości pozostawić ślad w postaci informacji. Jak więc można jednocześnie opisać horyzont zdarzeń zarówno z punktu widzenia ogólnej teorii względności (po przekroczeniu jego granic wszystko ulega zniszczeniu), jak iz punktu widzenia mechaniki kwantowej (z obiektu pozostaje jego informacja)?
To pytanie jest jednym z najtrudniejszych we współczesnej fizyce, a naukowcy wciąż nie mogą znaleźć na nie odpowiedzi.
Jednym z sugerowanych wyjaśnień jest hipoteza zapory ogniowej z 2012 roku, która sugeruje, że wokół horyzontu zdarzeń znajdują się pierścienie silnie naładowanych cząstek, które spalają każdą przechodzącą przez nie materię.
Fizyk Stephen Hawking ma inne założenie. Uważa, że czarne dziury mogą być otoczone miękkimi „włosami” (włosy są tu oczywiście używane jako metafora). Te „włosy” reprezentują zakłócenia kwantowe o niskim ładunku i przechowują w sobie sygnatury (informacje, jeśli wolisz) wszystkiego, co kiedyś wpadło do czarnej dziury.
Bez względu na to, do której hipotezy jesteś bardziej skłonny, ich główne przesłanie jest takie samo: zamiast czystego horyzontu zdarzeń przewidywanego przez ogólną teorię względności, granice czarnych dziur mogą być znacznie bardziej złożone i rozmyte, niż sobie wyobrażaliśmy. A główny problem polegał na tym, że nie mieliśmy okazji zweryfikować w jakiś sposób tych założeń. Dopóki LIGO nie wykryło fal grawitacyjnych.
Teraz, mając dostępne dane, międzynarodowy zespół naukowców proponuje sposób dowiedzenia się, co dzieje się wokół czarnych dziur. Zgodnie z nowym założeniem, jeśli horyzonty zdarzeń czarnych dziur tak naprawdę nie są zgodne z prawami ogólnej teorii względności, to po początkowych falach grawitacyjnych echo powinno pozostać.
Zdaniem naukowców ich wykrycie będzie możliwe dzięki „włosom” otaczającym czarną dziurę, które są w stanie podniecenia i zachowują się w tym momencie jak lustra. Wychwytują część fal grawitacyjnych uciekających z czarnej dziury, otaczają je, transmitując część swojego stanu perturbacji, a następnie mogą zostać wykryte przez instrumenty takie jak LIGO.
Według obliczeń naukowców, echa te można było wykryć za pomocą LIGO 0,1 i 0,3 sekundy po początkowym uwolnieniu fali grawitacyjnej. I - oto i oto! Naukowcy stali się tego świadkami! Jednocześnie zdarzenie to było obserwowane nie tylko w ramach pierwszej detekcji fal grawitacyjnych w lutym tego roku, ale także w ramach wszystkich trzech obserwacji fal grawitacyjnych w tym roku.
Należy oczywiście rozumieć, że tych trzech zdarzeń trudno nazwać wiarygodnymi danymi statystycznymi. Tak więc, chociaż istnieje możliwość, że te echa były jakimś rodzajem szumu tła (1 na 270 przypadków lub błąd Sigma 2,9), dalsze obserwacje pomogą naukowcom zbudować solidniejszą bazę dowodów.
„Dobra wiadomość jest taka, że klarowność i czułość LIGO wkrótce ulegnie znacznej poprawie, więc w ciągu najbliższych dwóch lat mamy większe możliwości potwierdzenia lub zaprzeczenia tych obserwacji” - powiedział główny badacz Niaesh Afshordi.
Nawet jeśli uda się potwierdzić echa, nie odpowiedzą one na pytanie, jaki poziom rozmywania mają granice czarnych dziur. Dlatego rozwiązanie paradoksu informacyjnego zostało na razie odłożone. Jak dotąd jedno jest jasne: jedno z najważniejszych odkryć w fizyce w tym roku stało się jeszcze bardziej kuszące.
NIKOLAY KHIZHNYAK