Σύγκρουση μαύρων τρυπών που επιβεβαιώνει τις προβλέψεις του Α.Αϊνστάιν και Σ.Χόκινγκ

Μια βίαιη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών, σε απόσταση ενός δισεκατομμυρίου ετών φωτός, δημιούργησε βαρυτικά κύματα που καταγράφηκαν στη Γη, επιβεβαιώνοντας προβλέψεις του Άλμπερτ Αϊνστάιν και του Στίβεν Χόκινγκ.

Η μελέτη, που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters, αναλύει αυτούς τους κυματισμούς του χωροχρόνου, οι οποίοι προέρχονται από επιταχυνόμενα αντικείμενα μεγάλης μάζας όπως μαύρες τρύπες και άστρα νετρονίων, και ανοίγει νέους δρόμους για την παρατήρηση του Σύμπαντος πέρα από τα τηλεσκόπια.

Η μελέτη που δημοσιεύεται στο έγκριτο  Physical Review Letters εξετάζει τα λεγόμενα βαρυτικά κύματα, κυματισμούς στην υφή του χωροχρόνου που πηγάζουν από επιταχυνόμενα αντικείμενα μεγάλης μάζας, όπως μαύρες τρύπες και άστρα νετρονίων που συγκρούονται.

Τα βαρυτικά κύματα, φαινόμενο που προέβλεψε ο Αϊνστάιν το 1916, εξαπλώνονται σφαιρικά με την ταχύτητα του φωτός και ουσιαστικά αλλάζουν ανεπαίσθητα τις αποστάσεις μεταξύ των αντικειμένων.

Για έναν παρατηρητή που βρίσκεται στο δρόμο τους, τα κύματα αυτά περιοδικά τεντώνουν τον χώρο σε μια διάσταση, ας πούμε κατά μήκος, και τον συρρικνώνουν σε μια άλλη διάσταση, ας πούμε κατά πλάτος.

Αυτή η παραμόρφωση είναι που αποκάλυψε την ύπαρξη του φαινομένου το 2015, όταν οι δίδυμοι ανιχνευτές LIGO στις ΗΠΑ, σχεδιασμένοι να καταγράφουν απειροελάχιστες μεταβολές του μήκους δύο κάθετων τούνελ των τεσσάρων χιλιομέτρων, ανίχνευσαν για πρώτη φορά βαρυτικά κύματα και δικαίωσαν τον Αϊνστάιν.

Ήταν μια ανακάλυψη που τιμήθηκε με Νόμπελ, καθώς προσέφερε στους αστρονόμους έναν νέο τρόπο να παρατηρούν το Σύμπαν, πέρα από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία την οποία καταγράφουν τα κάθε είδους τηλεσκόπια.

Έκτοτε η ευαισθησία των ανιχνευτών LIGO έχει αυξηθεί κατά τρεις φορές και επιτρέπει την καταγραφή κοσμικών συγκρούσεων με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια.

Το τελευταίο σήμα, το οποίο καταγράφηκε από το LIGO στις 14 Ιανουαρίου, προήλθε από δύο μαύρες τρύπες που κινούνταν η μία γύρω από την άλλη σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός πριν συγκρουστούν και σχηματίσουν μια μεγαλύτερη μαύρη τρύπα.

Η ένωση ήταν σχεδόν ακαριαία. Οι μαύρες τρύπες παρατηρήθηκαν να πλησιάζουν για 200 χιλιοστά του δευτερολέπτου και οι δονήσεις της τελικής μαύρης τρύπας για μόλις 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου, ανέφερε στο Reuters η Κατερίνα Χατζηιωάννου, ερευνήτρια του LIGO.

Οι μαύρες τρύπες που συγκρούστηκαν είχαν μάζα 32 και 35 φορές μεγαλύτερη του Ήλιου. Όμως, αντίθετα από ό,τι θα φανταζόταν κανείς, η μάζα της τελικής μαύρης τρύπας δεν ήταν 67 ηλιακές μάζες (δηλαδή όσο το άθροισμα) αλλά μόνο 63.

Η χαμένη μάζα ουσιαστικά μετατράπηκε σε ενέργεια που εξαπλώθηκε στον χωροχρόνο με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων.

Οι συχνότητες των κυμάτων επέτρεψαν στη μεγάλη, διεθνή ερευνητική ομάδα να υπολογίζει τα χαρακτηριστικά των αρχικών μελανών οπών και της μαύρης τρύπας που προέκυψε, όπως ο ήχος μιας καμπάνας αποκαλύπτει πληροφορίες για το υλικό και το σχήμα της.

Επιβεβαίωση
Η ανάλυση των συχνοτήτων επιβεβαιώνει δύο βασικές προβλέψεις. Σύμφωνα με την πρώτη, η οποία προκύπτει από τη Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν, οι μαύρες τρύπες είναι απλά αντικείμενα που μπορούν να περιγραφούν μόνο με δύο αριθμούς, τη μάζα και την περιστροφή τους.

Η αυξημένη ευαισθησία του LIGO επιβεβαίωσε ότι η δομή των βαρυτικών κυμάτων βρίσκεται σε συμφωνία με αυτή την υπόθεση.

Η δεύτερη υπόθεση που επιβεβαιώνει η μελέτη είναι ένα θεώρημα του βρετανού φυσικού Στίβεν Χόκινγκ, σύμφωνα με το οποίο η συνολική επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας (δηλαδή η επιφάνεια του ορίζοντα των γεγονότων, το όριο πέρα από το οποίο τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει τη βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας) δεν μειώνεται ποτέ -μπορεί μόνο να αυξάνεται όπως κι αν αλλάξει η μάζα ή η περιστροφή της.

Η ανάλυση δείχνει ότι, πριν από τη σύγκρουση, οι δύο αρχικές μαύρες τρύπες είχαν συνολική επιφάνεια 240.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων (περίπου όσο η Βρετανία), ενώ η μαύρη τρύπα που προέκυψε είχε επιφάνεια 400.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων (περίπου όσο η Ιαπωνία).

«Είναι η πρώτη φορά που πετύχαμε μια μέτρηση τέτοιας ακρίβειας. Είναι συναρπαστικό να έχουμε άμεση πειραματική επιβεβαίωση μιας τέτοιας σημαντικής ιδέας για τη συμπεριφορά των μελανών οπών» σχολίασε στο Reuters ο Ουίλ Φαρ του Πανεπιστημίου Stony Brook, μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Το θεώρημα του Χόκινγκ «είναι ένα πραγματικά θεμελιώδες, καθαρό θεώρημα της γενικής σχετικότητας. Είναι φανταστικό να το βλέπουμε να επιβεβαιώνεται» δήλωσε στο Science ο Κλίφορντ Ουίλ του Πανεπιστημίου της Φλόριντα.

Με τη βελτίωση των ανιχνευτών, η μελέτη των βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να προσφέρει νέα στοιχεία για τις μαύρες τρύπες, μυστηριώδη αντικείμενα που κανείς δεν γνωρίζει με βεβαιότητα τι κρύβουν στο κέντρο τους.

Στην πρόταση προϋπολογισμού που παρουσίασε τον Ιούνιο, ο Λευκός Οίκος πρότεινε για λόγους οικονομίας το κλείσιμο ενός από τους δύο ανιχνευτές LIGO, οι οποίοι βρίσκονται στις πολιτείες της Λουιζιάνα και της Ουάσιγκτον.

Ενδεχόμενο κλείσιμο θα ήταν βαρύ πλήγμα για την αστρονομία, δεδομένου ότι οι δύο άλλοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που λειτουργούν σήμερα, το VIRGO στην Ιταλία και το KAGRA στην Ιαπωνία, προσφέρουν πολύ μικρότερη ευαισθησία.