Detektory fal grawitacyjnych zarejestrowały zdarzenie, które potwierdziło teorie Einsteina i Hawkinga

Spis treści:

1. Najwyraźniejszy sygnał w historii
2. 100 lat po Einsteinie
3. Twierdzenie Hawkinga
4. Rozkwit astronomii fal grawitacyjnych

Znajdujące się w Stanach Zjednoczonych obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) zarejestrowało sygnał potwierdzający przewidywania Alberta Einsteina, Stephena Hawkinga i Roya Kerra. Na kilka dni przed rocznicą pierwszej historycznej detekcji fal grawitacyjnych, do której doszło 14 września 2015 r., naukowcy poinformowali, że zarejestrowali zderzenie dwóch czarnych dziur, z których każda miała masę około 32 mas Słońca.

Nowy sygnał, który otrzymał sygnaturę GW250114, należy do najczystszych w historii. – To najgłośniejszy ślad fal grawitacyjnych, jaki zarejestrowaliśmy. Przypomina szept, który nagle stał się krzykiem – mówi dr Geraint Pratten z Uniwersytetu w Birmingham.

Najwyraźniejszy sygnał w historii

Tylko co to oznacza? Jak to możliwe, że „zmarszczka na czasoprzestrzeni” jest głośna? – Chodzi o tzw. stosunek „sygnał u do szumu” (Signal-to-Noise Ratio, SNR). W detektorze fal grawitacyjnych odbieramy sygnał, ale odbieramy też szum samego detektora oraz jego otoczenia. To, na ile sygnał odebrany przez detektor wystaje ponad tło pozostałych „ziemskich” szumów określa, na ile jest on wyraźny. W przypadku pierwszej, historycznej detekcji – GW150914 – SNR określono na 24. Do tej pory za najgłośniejszy sygnał uznawano GW230814 z SNR na poziomie 42. W przypadku najnowszej detekcji GW250114 – SNR wynosi aż 80 – wyjaśnia dr Adam Zadrożny, który brał udział w projekcie LIGO-Virgo w latach 2009–2024 jako pracownik Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

LIGO jest jednym z trzech współczesnych detektorów fal grawitacyjnych. Pozostałe to działający we Włoszech nieopodal Pizy detektor Virgo oraz japońska KAGRA. Wszystkie zostały zbudowane by rejestrować sygnały pochodzące z kolizji czarnych dziur, zderzeń gwiazd neutronowych, a nawet rzadkich układów mieszanych (czarna dziura i gwiazda neutronowa). Zderzenia tak masywnych obiektów wywołują efekt podobny do tego, który powstaje, gdy wrzucimy do wody kamień – powstają koncentryczne fale, które słabną oddalając się od obiektu. Tylko w tym wypadku rozchodzą się nie po wodzie, tylko po czasoprzestrzeni.

100 lat po Einsteinie

Istnienie fal grawitacyjnych wynika bezpośrednio z ogłoszonej w 1915 roku ogólnej teorii względności Einsteina. Jednak sam ojciec współczesnej fizyki uważał, że nigdy nie uda się dokonać detekcji tych sygnałów.

Na szczęście 100 lat później udowodniono, że się mylił. Warto podkreślić, że nowa detekcja jest szczególnie symboliczna, bo przypomina tę pierwszą detekcję – GW150914 — tyle że sygnał jest trzykrotnie silniejszy. LIGO mogło tego dokonać dzięki stałym ulepszeniom technologii. Znajdujące się w Waszyngtonie i Luizjanie detektory potrafią dziś mierzyć zakłócenia czasoprzestrzeni mniejsze niż 1/10 000 średnicy protonu, czyli 700 bilionów razy cieńsze niż ludzki włos.

Twierdzenie Hawkinga

Dzięki niebywałej czystości GW250114 badaczom udało się przetestować z niezwykłą dokładnością przewidywania Einsteina, a także jedno z kluczowych twierdzeń Hawkinga. Profesor Hawking twierdził, że podczas łączenia czarnych dziur powierzchnia ich horyzontów zdarzeń – czyli granicy, zza której nic nie może się wydostać – może tylko rosnąć, nigdy maleć.

W 1971 roku Hawking i Jacob Bekenstein przewidzieli, że suma powierzchni horyzontów zdarzeń dwóch czarnych dziur sprzed zderzenia jest zawsze mniejsza niż powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury powstałej po połączeniu. I właśnie to udało się potwierdzić dzięki GW250114. Przed zderzeniem powierzchnia horyzontów zdarzeń czarnych dziur wynosiła ok. 240 000 km² (wielkość Wielkiej Brytanii), a po — 400 000 km² (wielkość Szwecji). – Wynikowa czarna dziura ma wyraźnie wyższe pole niż suma pól dwóch czarnych dziur przed zlaniem się. Czyli prawo powierzchni Hawkinga jest zachowane – mówi dr Adam Zadrożny.

Udało się również potwierdzić tzw. geometrię Kerra. Matematyczny opis czarnej dziury wirującej przewiduje, że jej „głos” w fazie wygaszania (tzw. ringdown) można opisać tylko dwoma parametrami: masą i spinem. W przypadku GW250114 po raz pierwszy udało się wyraźnie zidentyfikować dwie częstotliwości tego „głosu” i wykazać ich zgodność z teorią Kerra.

Rozkwit astronomii fal grawitacyjnych

Mino tych sukcesów dopiero wkraczamy w poważną, dojrzałą fazę obserwacji Wszechświata za pomocą fal grawitacyjnych. – Najlepsze dopiero przed nami. Na horyzoncie majaczą już dwa niezwykle ważne instrumenty badawcze, czyli projektowany europejski Teleskop Einsteina i kosmiczne obserwatorium fal grawitacyjnych LISA. Oba te instrumenty mają rozpocząć pracę w 2035 roku – mówi polski ekspert.

Dodaje, że Teleskop Einsteina pozwoli na dokładniejsze teksty ogólnej teorii względności, zajrzenie do wczesnego Wszechświata dalej niż mogą to uczynić detektory LIGO-Virgo-KAGRA. Jeszcze ciekawsze dane może zbierać gigantyczny kosmiczny detektor fal grawitacyjnych LISA. – Astronomia obserwacyjna fal grawitacyjnych powoli wchodzi w dojrzałą fazę. Wyniki tego zobaczymy już w kolejnej dekadzie – podsumowuje dr Adam Zadrożny.

Źródło: Phys. Rev. Lett.

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.