Odkrycie otwiera nową erę w astronomii

(Dan Tri) – Dziesięć lat temu naukowcy po raz pierwszy usłyszeli dźwięk wszechświata. To odkrycie potwierdziło ważną prognozę Einsteina i zapoczątkowało nową erę astronomii.

Po lewej: fizyk Albert Einstein, po prawej: Carl Knox – specjalista ds. technologii kreatywnych i wizualizacji naukowej , Swinburne University of Technology, Australia.

To było pierwsze odkrycie fal grawitacyjnych. Potwierdziło ono kluczowe przewidywanie ogólnej teorii względności Einsteina. Teraz, nowe odkrycie fal grawitacyjnych potwierdziło teorię Stephena Hawkinga – kolejnego „giganta” w dziedzinie astronomii.

Czym są fale grawitacyjne?

Fale grawitacyjne to „zmarszczki” w strukturze czasoprzestrzeni, które poruszają się z prędkością światła. Powstają one w wyniku ekstremalnie szybkiego przyspieszania masywnych obiektów, takich jak zderzające się czarne dziury lub łączenie się masywnych pozostałości gwiezdnych, zwanych gwiazdami neutronowymi.

Te rozchodzące się przez wszechświat fale zostały po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowane 14 września 2015 r. przez dwa detektory obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) w USA.

Pierwszy sygnał, nazwany GW150914, pochodził ze zderzenia dwóch czarnych dziur, z których każda miała masę ponad 30 razy większą od masy Słońca i znajdowała się ponad miliard lat świetlnych od Ziemi.

Był to pierwszy bezpośredni dowód na istnienie fal grawitacyjnych, zgodnie z przewidywaniami teorii względności Einsteina sprzed 100 lat. Za to odkrycie trzej naukowcy: Rainer Weiss, Barry Barish i Kip Thorne, otrzymali w 2017 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Symulacja pokazuje fale grawitacyjne wytwarzane przez dwie czarne dziury krążące wokół siebie ( wideo : MPI).

Setki sygnałów w mniej niż dekadę

Od 2015 roku LIGO, włoski detektor Virgo i japoński detektor KAGRA zaobserwowały ponad 300 fal grawitacyjnych.

Zaledwie kilka tygodni temu międzynarodowa współpraca LIGO/Virgo/KAGRA ogłosiła najnowsze wyniki czwartej edycji obserwacji, w wyniku których liczba znanych fal grawitacyjnych wzrosła ponad dwukrotnie.

Dziesięć lat po pierwszym odkryciu międzynarodowa współpraca, w skład której weszli australijscy naukowcy z Centrum Odkrywania Fal Grawitacyjnych (OzGrav) przy Australijskiej Radzie Badań Naukowych, ogłosiła niedawno odkrycie nowego sygnału fal grawitacyjnych, GW250114.

Sygnał ten jest niemal idealną kopią pierwszego sygnału fali grawitacyjnej o kodzie GW150914.

Zaobserwowana fala grawitacyjna GW250114 (LVK 2025). Dane obserwacyjne przedstawiono w kolorze jasnoszarym. Łagodna niebieska krzywa przedstawia najlepiej dopasowany teoretyczny model przebiegu fali, który wykazuje doskonałą zgodność z obserwowanym sygnałem.

Zderzenie czarnej dziury, które wywołało GW250114, ma bardzo podobne właściwości fizyczne do GW150914. Jednak dzięki znaczącym ulepszeniom detektorów fal grawitacyjnych w ciągu ostatniej dekady, nowy sygnał był widoczny znacznie wyraźniej (prawie cztery razy silniej niż GW150914).

Co ciekawe, pozwala nam to przetestować idee innego pioniera fizyki – Stephena Hawkinga.

Hawking też miał rację.

Ponad 50 lat temu fizycy Stephen Hawking i Jacob Bekenstein sformułowali zbiór praw opisujących czarne dziury.

Drugie prawo Hawkinga dotyczące mechaniki czarnych dziur, znane również jako twierdzenie Hawkinga o polu powierzchni, głosi, że powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury musi stale rosnąć. Innymi słowy, czarne dziury nie mogą się zapadać.

Tymczasem Bekenstein wykazał, że powierzchnia czarnej dziury jest bezpośrednio związana z jej entropią (czyli nieuporządkowaniem). Druga zasada termodynamiki mówi nam, że entropia musi stale rosnąć: wszechświat staje się coraz bardziej nieuporządkowany. Ponieważ entropia czarnej dziury również musi rosnąć z czasem, oznacza to, że jej powierzchnia również musi rosnąć.

Jak możemy przetestować te idee? Okazuje się, że zderzenia czarnych dziur są idealnym narzędziem. Precyzja nowego pomiaru pozwala naukowcom przeprowadzić jak dotąd najdokładniejszy test twierdzenia Hawkinga o polu.

Poprzednie eksperymenty wykorzystujące pierwsze wykrycie, GW15091, sugerowały, że sygnał jest zgodny z prawem Hawkinga, lecz nie udało się potwierdzić tego z całą pewnością.

Czarne dziury to zaskakująco proste obiekty. Powierzchnia horyzontu czarnej dziury zależy od jej masy i rotacji – jedynych parametrów potrzebnych do opisu czarnej dziury astronomicznej. Z kolei masa i rotacja determinują kształt fal grawitacyjnych.

Poprzez oddzielne zmierzenie mas i spinów pary czarnych dziur, które wpadły do ​​środka, i porównanie ich z masą i spinem ostatecznej czarnej dziury, która pozostała po zderzeniu, naukowcy byli w stanie porównać powierzchnię dwóch zderzających się czarnych dziur z powierzchnią ostatecznej czarnej dziury.

Dane wykazują dużą zgodność z teoretycznymi przewidywaniami, że powierzchnia powinna się zwiększyć, co zdecydowanie potwierdza prawo Hawkinga.

Przyszłe obserwacje fal grawitacyjnych pozwolą nam sprawdzić bardziej egzotyczne teorie naukowe, a być może nawet zbadać naturę brakujących składników wszechświata: ciemnej materii i ciemnej energii.

Źródło: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/phat-hien-mo-ra-ky-nguyen-moi-trong-thien-van-hoc-20250930235223429.htm