Czarne dziury tworzą dźwięczące zmarszczki w czasoprzestrzeni

Dekadę temu naukowcy po raz pierwszy wykryli zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni, zwane falami grawitacyjnymi, powstałe w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur. Teraz, dzięki ulepszonej technologii, nowo wykryte połączenie czarnych dziur dostarcza najwyraźniejszych jak dotąd dowodów na to, jak one działają, a przy okazji oferuje długo oczekiwane potwierdzenie fundamentalnych przewidywań Alberta Einsteina i Stephena Hawkinga.

Nowe pomiary czarnych dziur zostały wykonane przez Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), a analizy prowadzili astrofizycy Maximiliano Isi i Will Farr z Centrum Astrofizyki Obliczeniowej Instytutu Flatiron w Nowym Jorku. Wyniki dostarczają wglądu we właściwości czarnych dziur i fundamentalną naturę czasoprzestrzeni, wskazując na to, jak fizyka kwantowa i ogólna teoria względności Einsteina są ze sobą powiązane. Wyniki przedstawiono w artykule opublikowanym 10 września 2025 roku w czasopiśmie Physical Review Letters.

Zmarszczki w czasoprzestrzeni

Dla masywnych gwiazd czarne dziury stanowią ostatni etap ewolucji. Są one tak gęste, że nawet światło nie może uciec przed ich grawitacją. Zderzenie dwóch czarnych dziur zniekształca samą przestrzeń, tworząc zmarszczki w czasoprzestrzeni, które rozchodzą się po całym wszechświecie niczym fale dźwiękowe rozchodzące się po uderzeniu dzwonka.

Te zniekształcające przestrzeń fale, zwane falami grawitacyjnymi, mogą wiele powiedzieć naukowcom o obiektach, które je wytworzyły. Tak jak duży żelazny dzwon wydaje inne dźwięki niż mniejszy aluminiowy dzwonek, tak „dźwięk” – określany dzwonieniem – towarzyszący zderzeniu czarnych dziur jest specyficzny dla właściwości zaangażowanych w nie obiektów.

Naukowcy mogą wykrywać fale grawitacyjne za pomocą specjalnych instrumentów w obserwatoriach, takich jak LIGO w Stanach Zjednoczonych, Virgo we Włoszech i KAGRA w Japonii. Instrumenty te precyzyjnie mierzą czas potrzebny promieniowi lasera na przebycie określonej ścieżki.

Gdy fale grawitacyjne rozciągają i ściskają czasoprzestrzeń, czas podróży światła zmienia się minimalnie. Mierząc te drobne zmiany z dużą precyzją naukowcy mogą wykorzystać je do określenia właściwości czarnych dziur.

Brzmienie czarnych dziur

Niedawno odkryte fale grawitacyjne powstały w wyniku fuzji, która utworzyła czarną dziurę o masie 63 mas Słońca, obracającą się z prędkością 100 obrotów na sekundę. Udoskonalenia w sprzęcie i technikach pozwoliły naukowcom uzyskać wyraźniejszy obraz tych wstrząsających kosmosem zdarzeń.

Dzięki nowym pomiarom zespół Maximiliano Isi mógł dokładnie przyjrzeć się zderzeniu od momentu, w którym czarne dziury po raz pierwszy zderzyły się ze sobą, aż do ostatnich drgań, gdy połączona czarna dziura osiągnęła nowy stan, co nastąpiło zaledwie milisekundy po pierwszym kontakcie.

Wcześniej pogłosy zdarzenia na kosmiczną skalę były trudne do uchwycenia, ponieważ są one bardzo słabe i naukowcy nie byli w stanie oddzielić dzwonienia zderzenia od dzwonienia samej czarnej dziury. Dzięki precyzyjniejszym pomiarom udało się wyizolować milisekundowy sygnał tworzenia nowej czarnej dziury.

– Brzmienie o długości dziesięciu milisekund jest naprawdę krótkie, ale nasze instrumenty są teraz o wiele lepsze i to wystarczająco dużo czasu, abyśmy mogli naprawdę przeanalizować dzwonienie ostatniej czarnej dziury. Dzięki temu nowemu wykryciu mamy niezwykle szczegółowy obraz sygnału zarówno przed, jak i po połączeniu się czarnych dziur – wyjaśnia Maximiliano Isi.

Naukowcy byli w stanie zmierzyć częstotliwość i czas trwania dzwonienia połączonej czarnej dziury dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej. Nowe obserwacje pozwoliły zweryfikować kluczową hipotezę sprzed dziesięcioleci, że czarne dziury są zasadniczo prostymi obiektami. Można je opisać za pomocą zaledwie dwóch cech: spinu i masy.

Chaos w horyzoncie zdarzeń

Obserwacje posłużyły również do przetestowania fundamentalnej idei zaproponowanej przez Stephena Hawkinga. Głosi ona, że ​​rozmiar horyzontu zdarzeń czarnej dziury – linii, poza którą nic, nawet światło, nie może się wydostać – może jedynie rosnąć. Sprawdzenie, czy to twierdzenie ma zastosowanie, wymaga wyjątkowych pomiarów czarnych dziur przed i po ich połączeniu.

Potwierdzając twierdzenie Hawkinga wyniki wskazują również na powiązania z drugą zasadą termodynamiki. Prawo to głosi, że miara nieuporządkowania układu (chaos), czyli entropia, musi rosnąć lub przynajmniej pozostawać stała w czasie. Zrozumienie termodynamiki czarnych dziur może doprowadzić do postępów w innych dziedzinach fizyki, w tym w kwantowej grawitacji, której celem jest połączenie ogólnej teorii względności z fizyką kwantową.

– To naprawdę głębokie odkrycie, że rozmiar horyzontu zdarzeń czarnej dziury ma entropię. Ma to bardzo głębokie implikacje teoretyczne i oznacza, że ​​niektóre aspekty czarnych dziur można wykorzystać do matematycznego zbadania prawdziwej natury przestrzeni i czasu – podkreśla Maximiliano Isi.

Przyszłe detekcje łączenia się czarnych dziur mają ujawnić jeszcze więcej na temat natury tych obiektów. W ciągu najbliższej dekady detektory mają stać się dziesięciokrotnie bardziej czułe niż obecnie, co umożliwi dokładniejsze pomiary.

Źródło: phys.org