Двоструки судари црних рупа стављају Ајнштајнову општу релативност на најекстремнији тест

У студији објављеној 28. октобра год Тхе Астропхисицал Јоурнал Леттерсмеђународна ЛИГО-Вирго-КАГРА Цоллаборатион објавила је детекцију два изузетна сигнала гравитационих таласа из црних рупа са необичним обрасцима окретања забележених у октобру и новембру прошле године.

Таласање у простору и времену открива космичке сударе

Гравитациони таласи су сићушни таласи у простор-времену који настају када се масивни небески објекти сударе или спајају. Најјачи сигнали долазе од судара црних рупа. Први догађај, ГВ241011 (11. октобар 2024.), догодио се око 700 милиона светлосних година од Земље када су се спојиле две црне рупе – око 20 и 6 пута веће од масе нашег Сунца. Већа је идентификована као једна од најбрже ротирајућих црних рупа икада уочених.

Отприлике месец дана касније, други догађај, ГВ241110 (10. новембар 2024.), откривен је удаљен око 2,4 милијарде светлосних година. Ово спајање укључивало је црне рупе тешке отприлике 17 и 8 соларних маса. За разлику од већине црних рупа које се окрећу у истом смеру као и њихова орбита, главна црна рупа у ГВ241110 се вртела у супротном смеру, означавајући прво посматрање такве конфигурације.

„Свака нова детекција пружа важне увиде у универзум, подсећајући нас да је свако уочено спајање и астрофизичко откриће, али и непроцењива лабораторија за испитивање фундаменталних закона физике“, рекао је коаутор Карл-Јохан Хастер, доцент астрофизике на Универзитету Вегас (УНЛВ, Лас). „Бинари попут ових су били предвиђени ранијим запажањима, али ово је први директан доказ њиховог постојања.

Откривање тајних живота спајања црних рупа

Ајнштајн је први пут предвидео постојање гравитационих таласа 1916. године као део своје опште теорије релативности. Њихово постојање је индиректно потврђено 1970-их, али их научници нису директно посматрали све до 2015. године када је ЛИГО опсерваторија открила таласе настале спајањем црних рупа.

Данас мрежа ЛИГО-Вирго-КАГРА функционише као глобални систем напредних детектора. Тим је тренутно у својој четвртој кампањи за посматрање, познатој као О4, која је почела у мају 2023. и наставиће се до средине новембра 2025. До данас је откривено око 300 спајања црних рупа, укључујући кандидате пронађене током ове текуће трке.

Недавно откривање ГВ241011 и ГВ241110 показује колико је астрономија гравитационих таласа напредовала у откривању унутрашњег рада система црних рупа. Оба догађаја сугеришу да би неке од ових црних рупа могле бити „друга генерација“, формирана од остатака ранијих спајања.

„ГВ241011 и ГВ241110 су међу најновијим догађајима међу неколико стотина које је ЛИГО-Вирго-КАГРА мрежа приметила“, рекао је Степхен Фаирхурст, професор на Универзитету у Кардифу и портпарол ЛИГО Сциентифиц Цоллаборатион. „С обзиром да оба догађаја имају једну црну рупу која је знатно масивнија од друге и која се брзо окреће, они пружају задивљујући доказ да су ове црне рупе настале из претходних спајања црних рупа.

Истраживачи су приметили неколико интригантних образаца, укључујући велике разлике у маси између упарених црних рупа – од којих је већа скоро дупло масивнија од свог пратиоца – и необичне правце окретања. Ове особине сугеришу да су црне рупе настале кроз процес који се назива хијерархијско спајање, у којем се црне рупе у густо насељеним регионима, као што су звездана јата, сударају више пута током свог живота.

„Ова два спајања бинарних црних рупа нуде нам неке од најузбудљивијих увида до сада о ранијим животима црних рупа“, рекао је Томас Калистер, коаутор и доцент на Вилијамс колеџу. „Они нас уче да неке црне рупе не постоје само као изоловани партнери, већ вероватно и као чланови густе и динамичне гомиле. Надајући се да ће нас ови догађаји и друга запажања научити све више о астрофизичким окружењима у којима се налазе ове гомиле.“

Тестирање Ајнштајнове теорије у екстремним условима

Изузетна прецизност детекције ГВ241011 дала је истраживачима прилику да тестирају Ајнштајнову општу релативност у једном од најекстремнијих окружења икада измерених. Пошто је овај догађај ухваћен тако јасно, научници су могли да упореде резултате са предвиђањима из Ајнштајнових једначина и решењем Роја Кера који описује ротирајуће црне рупе.

Брзо окретање ГВ241011 мало је изобличило његов облик, остављајући јединствен отисак прста у гравитационим таласима. Анализа података показала је изузетно поклапање са Керовим моделом, потврђујући Ајнштајнова предвиђања са рекордном тачношћу.

Значајна разлика у масама црних рупа које се сударају такође је произвела „виши хармоник“, неку врсту призвука који је сличан онима који се чује у музичким инструментима. Ова ретка карактеристика, која се јасно види тек трећи пут, пружа још један успешан тест Ајнштајнове теорије.

„Снага ГВ241011, у комбинацији са екстремним својствима његових компоненти црне рупе, пружају средства без преседана за тестирање нашег разумевања самих црних рупа“, каже Хастер. „Сада знамо да су црне рупе обликоване онако како су Ајнштајн и Кер предвидели, а општа теорија релативности може додати још две квачице на своју листу многих успеха. Ово откриће такође значи да смо осетљивији него икада на било коју нову физику која би могла да лежи изван Ајнштајнове теорије.“

Трагање за траговима за нове честице

Брзо ротирајуће црне рупе попут оних уочених у овој студији сада имају још једну примену – у физици честица. Научници могу да их користе да би тестирали да ли постоје одређене хипотетске елементарне честице лаке тежине и колико су масивне.

Ове честице, назване ултралаки бозони, предвиђају неке теорије које превазилазе Стандардни модел физике честица, који описује и класификује све познате елементарне честице. Ако постоје ултралаки бозони, они могу извући енергију ротације из црних рупа. Колико се енергије извлачи и колико се ротација црних рупа временом успорава зависи од масе ових честица, која је још увек непозната.

Опажање да масивна црна рупа у бинарном систему која је емитовала ГВ241011 наставља да се брзо ротира чак и милионима или милијардама година након што се формирала искључује широк спектар ултралаких маса бозона.

„Планиране надоградње ЛИГО, Вирго и КАГРА детектора омогућиће даља посматрања сличних система, омогућавајући нам да боље разумемо и основну физику која управља овим бинарним системима црних рупа и астрофизичке механизме који доводе до њиховог формирања“, рекао је Ферхерст.

Јое Гиаиме, шеф локације за ЛИГО Ливингстон опсерваторију, приметио је да су ЛИГО научници и инжењери направили побољшања на детекторима последњих година, што је резултирало прецизним мерењима таласних облика спајања која омогућавају врсту суптилних запажања која су била потребна за ГВ241011 и ГВ241110.

„Боља осетљивост не само да омогућава ЛИГО-у да открије много више сигнала, већ и омогућава дубље разумевање оних које детектујемо“, рекао је он.