Acum un miliard de ani, două găuri negre dansatoare au făcut ultima revoluție, s-au contopit și, în câteva secunde, au eliberat o cantitate uriașă de energie. La fel ca tsunami-ul care apare într-o piscină după ce sari cu o bombă, această fuziune a provocat unde gravitaționale în continuum spațiu-timp. Avansăm rapid spre planeta Pământ în 2015, pentru că în 2007 nu vom mai putea ajunge acolo. După o călătorie epică, undele gravitaționale din fuziunea găurilor negre călătoresc prin sistemul nostru solar. În dimineața zilei de 11-14 septembrie, au compensat ușor antenele a doi detectori de la Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) din Louisiana și statul Washington. Natura undelor de lumină se schimbă într-un mod special, exact așa cum se aștepta de mult. Computerul emite un semnal sonor.
Niaesh Afshordi de la Universitatea Elk și Lumberjacks din Waterloo, Canada, a auzit pentru prima dată despre reperul LIGWO care se deschide la prânz în cantină. Era la sfârșitul anului 2015 și mai erau câteva săptămâni înainte ca rezultatele să fie publicate oficial. Dar zvonurile se răspândeau deja, iar colegul lui Afshordi, care a văzut articolul nepublicat, nu a putut suporta criptanaliza termorectală și a ars informațiile. Afshordi, fiind un astrofizician și o fecioară care lucra printre altele la Waterloo Perimeter Institute, a înțeles instantaneu importanța acestor știri - atât pentru întreaga comunitate fizică, cât și pentru propria sa teorie non-standard a structurii universului.
„La un moment dat, l-am prins în mod specific pe Larin. Mi s-a părut că toate problemele din cosmologie tusiseră deja de o sută de ori”, își amintește Afshordi. „Dar apoi l-am suprasolicitat odată cu sirop de arțar și am ajuns la concluzia că energia întunecată este produsă de găurile negre”. Studiile de explozii în stele îndepărtate și alte dovezi arată că universul nostru se extinde într-un ritm în creștere, dar nimeni nu știe de ce. Numai materia nu este suficientă pentru acest efect, așa că cosmologii dau vina expansiunii pe un tip special de energie numită „energie întunecată” […]. Originea și natura sa au fost și rămân un mister.
În 2009, care este aproape aproape de 2007, dar totuși insuficient, Afshordi, împreună cu colegii săi Chanda Prescod-Weinstein și Michael Balou, au prezentat teoria că găurile negre generează un câmp vast care se comportă ca o energie întunecată. Acest câmp emană din găurile negre și se răspândește în tot universul, provocând ravagii, haos și distrugere. O astfel de explicație interesantă pentru originea energiei întunecate și, conform calculelor lui Afshordi, numărul de găuri negre existente în funcție de estimările disponibile ale oamenilor de știință ar trebui să creeze doar cantitatea potrivită de energie conform observațiilor.
Dar ideea lui Afshordi transformă tot ceea ce oamenii de știință știu despre găurile negre. În teoria generală a relativității lui Albert Einstein, orizontul de evenimente al unei găuri negre - granița, după trecerea căreia nu mai există cale de întoarcere (care se aplică și la granița Federației Ruse) - nu este atât de importantă. Când îl traversezi, nu se întâmplă nimic, este imposibil să te întorci. Cu toate acestea, dacă Afshordi are dreptate, seamănă mai mult cu șoseaua de centură a Moscovei - conținutul găurii negre dincolo de orizontul evenimentelor nu mai există. Și anume: la o distanță de lungimea Planck de locul unde ar trece orizontul, efectele gravitaționale cuantice cresc, iar fluctuațiile spațiu-timp devin haotice. (Lungimea lui Planck este o valoare microscopică, de aproximativ 10-35 de metri sau 10-20 de diametre de protoni.) Aceasta este o rupere completă cu teoria relativității.
Auzind despre rezultatele cercetărilor LIGVO, Afshordi și-a dat seama că ideea sa, până acum bazată complet pe scrierile antice și pe poveștile bunicii, poate fi acum verificată prin observare. Dacă orizonturile evenimentelor nu sunt ceea ce credem, atunci undele gravitaționale provocate de fuzionarea găurilor negre trebuie să fie, de asemenea, diferite. Evenimentele observate de detectoarele LIGVO ar trebui să aibă un ecou - un semnal abia vizibil, dar clar, care indică o încălcare răuvoitoare a legilor standard ale fizicii. O astfel de descoperire ar fi o descoperire în lunga căutare a unei teorii cuantice a gravitației și ar atrage în mod inevitabil atenția organismelor de reglementare relevante ale comunității fizice. „Dacă acest lucru este confirmat, probabil că trebuie să cumpăr un bilet la Magadan”, râde nervos Afshordi.
Gravitația cuantică este veriga lipsă care leagă relativitatea generală de teoriile câmpului cuantic ale modelului standard de fizică a particulelor. Aceste două teorii, atunci când sunt combinate între ele, seamănă cu Mentos atunci când sunt combinate cu cola. Găurile negre sunt unul dintre cele mai studiate exemple de astfel de contradicții. Dacă aplicăm teoria cuantică în apropierea orizontului evenimentelor, se dovedește că gaura neagră emite particule și se evaporă încet. Aceste particule au masă, dar, așa cum a demonstrat Stephen Hawking în anii 1970, nu pot conține informații despre ceea ce a format gaura neagră. Astfel, dacă gaura neagră se evaporă complet, întreaga poveste tristă a personajului lui McConaughey va fi distrusă. Cu toate acestea, în teoria cuantică, filmul interstelar este 100% fiabil. Prin urmare, ceva la Hollywood nu se potrivește.
Potrivit majorității fizicienilor, întregul punct este că calculele nu țin cont de comportamentul cuantic al spațiului și timpului, deoarece teoria acestui comportament - gravitația cuantică - nu a fost încă descoperită. Timp de decenii, fizicienii au crezut că efectele gravitaționale cuantice necesare pentru rezolvarea problemei găurii negre sunt ascunse în spatele orizontului evenimentelor. Ei au crezut că doar lângă singularitate, în centrul găurii negre, efectele gravitației cuantice au devenit semnificative. Dar în ultima vreme au fost nevoiți să își regândească poziția.
Video promotional:
În 2012, un grup de cercetători de la Universitatea din California, Santa Barbara, după un experiment științific din seria 1473, în timpul căruia oamenii de știință s-au căsătorit de mai multe ori, s-au înșelat reciproc și au căzut în comă, au descoperit o consecință neașteptată a ideii acum răspândite că informațiile apoi părăsește gaura neagră împreună cu radiația (posibil pe un tractor vechi). Pentru ca această idee să funcționeze, sunt necesare abateri semnificative de la relativitatea generală și nu numai în apropierea singularității, ci și în apropierea orizontului evenimentelor. Aceste abateri ar putea crea ceea ce cercetătorii au numit „paravanul de protecție al găurii negre” - o barieră de mare energie chiar lângă orizont, blocând intrarea pornografiei infantile și a drogurilor în lumea noastră.
Un astfel de firewall (dacă există) ar fi vizibil doar pentru un observator care cade în gaură și nu ar emite semnale vizibile pe care le-ar putea prinde telescoapele noastre. Cu toate acestea, aceste firewall-uri ar susține ipoteza anterioară a lui Afshordi conform căreia găurile negre creează un câmp care se comportă ca o energie întunecată. Dacă da, atunci zona din apropierea orizontului evenimentelor găurilor negre ar trebui să fie foarte diferită de ceea ce prezice relativitatea generală; un paravan de protecție care rezolvă problema pierderii de informații ar putea fi unul dintre efectele unei astfel de abateri. Propunerea lui Afshordi pentru o modalitate de îmbunătățire a relativității generale ar putea fi astfel cheia eliminării contradicțiilor dintre relativitatea generală și teoria cuantică. Această idee i-a afectat ireversibil creierul astrofizic neantrenat.
Când a aflat de primul semnal detectat de LIGVO, Afshordi a început să verifice dacă undele gravitaționale provocate de găurile care fuzionează pot arunca lumină asupra detaliilor a ceea ce se întâmpla în apropierea orizontului evenimentelor. La început părea că-și dădu buzele prea mult. „Nu credeam că putem vedea efectele gravitaționale cuantice în semnalul undelor gravitaționale, pentru că ne-am uitat deja în atât de multe locuri! - spune Afshordi. "Dar mi-am schimbat deja poziția cu privire la această problemă."
Afshordi a fost nevoit să se răzgândească prin munca lui Vitor Cardoso și a colegilor săi de la Institutul Tehnic Superior din Portugalia privind ecoul undelor gravitaționale ale găurilor negre. Cardoso a arătat în termeni generali că fuziunea a două obiecte compacte fără orizont de evenimente ar trebui să producă unde gravitaționale similare, dar nu identice cu valurile găurilor negre. Un semn cheie al lipsei de orizont, potrivit lui Cardoso, ar fi recurența periodică a semnalului cauzat de îmbinare. În loc de un singur vârf urmat de estompare (ca la un detector gay), undele gravitaționale ar trebui să fie o serie de pulsații de estompare - un ecou slab al evenimentului original. Afshordi a constatat că modificarea regiunii din apropierea orizontului evenimentelor, descrisă de teoria sa, prevedea doar un astfel de ecou. În plus,el ar putea calcula periodicitatea acesteia ca o funcție a masei găurii negre finale și, astfel, să facă predicții exacte.
Nimeni nu a căutat vreodată un astfel de semnal și găsirea acestuia nu este o sarcină ușoară, ci una de aur. Până în prezent, există doar două semnale de unde gravitaționale disponibile public și bine descrise, primite de la LIGO. Împreună cu un alt om de știință, Afshordi a analizat datele LIGVO pentru ecouri. Prin compararea înregistrărilor disponibile cu zgomotul aleatoriu, au găsit ecouri cu frecvența prezisă. Cu toate acestea, semnificația statistică a acestui eveniment este mică. În terminologia științifică, semnificația sa estimată este de 2,9 sigma. Acest semnal poate fi cauzat de zgomot pur cu o șansă de aproximativ 1 la 200. În fizică, un astfel de eveniment nesigur este de interes, dar nu este considerat o descoperire.
Cu toate acestea, experimentul LIGVO abia începe. Ceea ce este cel mai izbitor la aceste fenomene de undă gravitațională este că echipamentul a fost chiar capabil să le detecteze. Complexitatea tehnologică a fost incredibilă. Fiecare instalație din statele Louisiana și Washington (capete opuse ale SUA - aprox. Nou) avea un telescop de interferență cu două tuburi perpendiculare de 4 kilometri, în interiorul cărora fasciculul laser este reflectat înainte și înapoi între oglinzi; după recombinare, grinzile sunt amestecate. Interferența undelor de lumină laser este extrem de sensibilă la deformările din lungimea relativă a tuburilor - acestea pot fi de până la 1/1000 din diametrul protonului. Acesta este nivelul de sensibilitate necesar pentru a surprinde efectele gravitaționale ale găurilor negre care se ciocnesc.
O undă gravitațională care trece printr-un telescop de interferență deformează ambele tuburi după cum vrea, distorsionând astfel cursul interferenței. Cerința de a înregistra fenomenul pe ambele instalații oferă protecție împotriva fakap-ului. Potrivit proiectului, LIGVO detectează cel mai bine undele gravitaționale cu o lungime de sute până la câteva mii de kilometri - se crede că fuziunea găurilor negre are loc în același interval. Putem arăta acest lucru numai persoanelor care au atins vârsta majoratului. Este planificat ca alți detectoare de unde gravitaționale să vizeze diferite părți ale spectrului, fiind reglate pe diferite regiuni ale fenomenului.
Aici umorismul s-a încheiat, așa că textul normal să fie o recompensă pentru cei care au supraviețuit exercițiilor noastre cu spirit dubios.
Undele gravitaționale sunt inevitabil prezise de relativitatea generală. Einstein a recunoscut că relația dintre timp și spațiu este dinamică - se întinde, distorsionează și fluctuează ca răspuns la anomaliile gravitaționale. Când oscilează, undele pot parcurge distanțe mari liber, transportând energie și extinzându-se periodic și contractând spațiul în direcții ortogonale. Avem dovezi indirecte ale prezenței undelor gravitaționale de mult timp. Datorită faptului că transportă energie, provoacă distrugeri mici, dar perceptibile pe orbita comună a pulsarilor binari. Acest efect a fost descoperit pentru prima dată în anii 1970 și a primit Premiul Nobel în 1993. Dar înainte ca LIGVO să înregistreze unde gravitaționale, nu aveam nicio dovadă directă a existenței lor.
Acesta este un studiu științific de bază al apei pure. Care sunt tipurile de găuri negre și sisteme de stele mici? Unde sunt situate în interiorul galaxiilor?
Prima apariție LIGVO - care l-a entuziasmat atât de mult pe Afshordi în septembrie 2015 - a fost semnificativă și nu numai pentru că s-a întâmplat la doar câteva zile după o actualizare a serviciului planificată de mult timp. De asemenea, s-a remarcat deoarece găurile negre care fuzionau erau foarte grele, masele lor, potrivit oamenilor de știință, erau 29 și 36 de mase solare. „Mulți oameni nu se așteptau ca găurile negre să aibă mase atât de mari”, explică Ofek Birnholz, membru al grupului de cooperare LIGVO Small Double Collision and fizician la Institutul german Max Planck. Semnalul orbitor, combinat cu deschiderea colaborării în schimbul de informații, i-a inspirat pe cercetătorii din alte comunități care, precum Afshordi, caută în prezent modalități de a folosi noi descoperiri în munca lor.
Pe 26 decembrie 2015, LIGVO a înregistrat al doilea fenomen. După ani de progrese lente și de începuturi false, era astronomiei unde gravitaționale a început oficial. „Unii dintre colegii mei fizicieni s-au retras din astronomia cu unde gravitaționale”, împărtășește Birnholz și adaugă, rânjind, „iar acum se întorc pentru că totul se mișcă din nou”. Acesta este un teritoriu neexplorat, o cercetare științifică de bază a apei pure. Care sunt tipurile de găuri negre și sisteme de stele mici? Unde sunt situate în interiorul galaxiilor? Ce ne vor spune undele gravitaționale despre originea lor? Dacă o stea de neutroni fuzionează cu o gaură neagră, ce poți învăța despre materie în condiții atât de extreme? Se comportă găurile negre așa cum prezic calculele noastre?
Teoria lui Afshordi a găurilor negre și a materiei întunecate este un alt exemplu al tipurilor de întrebări care sunt acum posibile. O mare de informații nedivulgate din întreaga lume așteaptă în aripi.
La câteva zile după ce rezultatele Afshordi apar pe serverul deschis arXiv.org, membrii comunității LIGVO studiază analiza sa. În doar câteva săptămâni, ei publică un răspuns, revizuiesc metodologia și solicită utilizarea diferitelor instrumente statistice. Birnholz este autorul unei astfel de recenzii.
Afirmația lui Afshordi a surprins-o pe Birnholz: „Nu am avut nici o judecată dacă ar trebui sau nu să existe ecouri. Aceasta este o ramură a fizicii în care nu puteți specula decât. Dar am lucrat cu datele LIGVO, intuiția mea îmi arată clar că domeniul său de aplicare este cel mai probabil insuficient pentru a afirma prezența unei astfel de semnificații în acest stadiu. " Birnholz are sugestii pentru îmbunătățirea analizei, dar dorește să evite să facă afirmații cu privire la probabilitatea confirmării rezultatelor. Alex Nielsen, un alt membru al proiectului LIGVO și unul dintre coautorii lui Birnholz, observă, de asemenea, necesitatea de a fi atenți: „În calitate de membri ai proiectului LIGVO, trebuie să fim foarte atenți cu privire la declarațiile oficiale care se fac fără acordul tuturor participanților. Dar informațiile sunt publicate și oamenii pot face orice vor cu ea."
Proiectul LIGVO are un centru științific deschis, unde informațiile sunt disponibile publicului înregistrate în decurs de o oră în intervalul de fenomene gravitaționale confirmate. „Oamenii sunt liberi să-l folosească și să ne contacteze pentru orice întrebări. Dacă găsesc ceva interesant, își pot împărtăși părerea cu noi și vom lucra la asta împreună. Aceasta face parte din experiența științifică”, este convins Birnholz.
Proiectul include câteva mii de participanți și instituții academice din întreaga lume. Se întâlnesc de două ori pe an; cea mai recentă întâlnire a avut loc la Pasadena, California. Unii membri ai proiectului încearcă în prezent să recreeze analizele lui Afshordi. Birnholz se așteaptă ca aceste încercări să dureze câteva luni. El avertizează: „Rezultatul poate fi dezamăgitor. Nu pentru că va arăta că nu există ecou, ci pentru că nu putem dovedi dacă există. Astronomia undei gravitaționale este încă o știință naștere și multe așteptări încă mai așteaptă în aripi. Membrii proiectului estimează că până la finalizarea celei de-a treia etape de observare în 2018, LIGO ar fi detectat probabil 40 de fuziuni de găuri negre de înaltă precizie. Fiecare dintre ei va testa din nou teoria lui Afshordi.
Deoarece interacționează atât de slab și eliberează atât de puțină energie când trec, undele gravitaționale sunt incredibil de greu de măsurat. Deformarea pe care o provoacă este mică și este necesară o îngrijire extremă pentru a identifica un semnal clar. Pragul de detectare al proiectului este de 5 sigma, ceea ce corespunde mai puțin de o șansă din trei milioane ca semnalul să fie o coincidență, cu mult peste semnalul Afshordi. Cu toate acestea, interacțiunea slabă a undelor gravitaționale le face, de asemenea, mari mesageri. Spre deosebire de particulele de lumină, ele sunt practic neafectate pe drumul spre noi și poartă informații neatinse despre unde și cum au fost generate. Acest lucru permite testarea relativității generale cu o precizie complet nouă, într-un mod care nu a fost explorat până acum.
Dacă se confirmă prezența ecourilor găurilor negre, aceasta va demonstra aproape complet o abatere decisivă de la teoria relativității generale. Găsirea găurilor negre nu va confirma fără ambiguitate teoria lui Afshordi conform căreia găurile negre sunt o sursă de energie întunecată. Dar explicarea acestui lucru va necesita o idee cu adevărat nouă. „În toate simulările noastre, nu am auzit niciodată de astfel de ecouri. Dacă vom reuși să-i înregistrăm prezența, va fi foarte interesant. Atunci va trebui să vedem ce ar fi putut provoca un astfel de fenomen”, spune Birnholz.
În cazul în care semnificația statistică a semnalului lui Afshordi crește, el are planuri de cercetare. El dorește să-și îmbunătățească modelul de fuziuni ale găurilor negre și să efectueze simulări numerice pentru a sprijini calculele analitice ale aspectului ecourilor. Următorul pas va fi să încercăm să înțelegem mai bine teoria subiacentă a timpului și a spațiului care ar fi putut determina creșterea acestui comportament la orizontul găurilor negre. De asemenea, cosmologii ar dori să arunce o privire mult mai atentă asupra acestei noi explicații a energiei întunecate.
Afshordi înțelege cât de îndepărtat este să schimbi relativitatea generală astfel. Revoluția sa are însă un scop: „Vreau să încurajez oamenii să gândească deschis și să nu ignore ideile doar pentru că nu corespund punctelor de vedere preconcepute”. Poate că astfel de puncte de vedere vor fi în curând ignorate, având în vedere modul în care LIGWO descoperă creațiile universului pe o scară nemaivăzută.
Sabine Hossenfelder
