Prije milijardu godina dvije rasplesane crne rupe napravile su posljednju revoluciju, spojile se i u nekoliko sekundi oslobodile ogromnu količinu energije. Poput tsunamija koji se događa u bazenu nakon što skočite bombom, ovo spajanje uzrokovalo je gravitacijske valove u prostorno-vremenskom kontinuumu. Brzo naprijed na planetu Zemlju 2015. godine, jer 2007. još uvijek nećemo moći tamo stići. Nakon epskog putovanja, gravitacijski valovi iz spajanja crnih rupa putuju kroz naš Sunčev sustav. Ujutro od 11. do 14. rujna lagano su pomaknuli antene dvaju detektora u Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) u Louisiani i državi Washington. Priroda svjetlosnih valova mijenja se na poseban način, točno onako kako se dugo očekivalo. Računalo oglašava zvučni signal.
Niaesh Afshordi sa Sveučilišta Elk i Lumberjacks iz Waterlooa u Kanadi prvi je put čuo za LIGWO-ovo znamenito otvaranje tijekom ručka u menzi. Bilo je krajem 2015. godine, a ostalo je još nekoliko tjedana prije nego što su rezultati službeno objavljeni. Ali glasine su se već širile, a Afshordijev kolega, koji je vidio neobjavljeni članak, nije mogao podnijeti termorektalnu kriptalizu i spalio je informacije. Afshordi, astrofizičar i djevica, koja između ostalog radi na Institutu za perimetar Waterloo, odmah je shvatio važnost ove vijesti - kako za cijelu fizičku zajednicu, tako i za vlastitu nestandardnu teoriju o strukturi svemira.
“U nekom sam trenutku posebno uhvatio Larin. Činilo mi se da su se svi problemi u kozmologiji već sto puta iskašljali”, prisjeća se Afshordi. "Ali onda sam jednom pretjerao s javorovim sirupom i došao do zaključka da tamnu energiju proizvode crne rupe." Studije eksplozija u dalekim zvijezdama i neki drugi dokazi pokazuju da se naš svemir širi sve većom brzinom, ali nitko ne zna zašto. Samo materija nije dovoljna za taj učinak, pa kozmolozi šire širenje na posebnu vrstu energije koja se naziva "tamna energija" […]. Njegovo podrijetlo i priroda bili su i ostali misterij.
2009. godine, što je prilično blizu 2007. godine, ali još uvijek nedovoljno, Afshordi je, zajedno sa svojim kolegama Chandom Prescod-Weinsteinom i Michaelom Balouom, iznio teoriju da crne rupe generiraju ogromno polje koje se ponaša poput tamne energije. Ovo polje proizlazi iz crnih rupa i širi se svemirom, stvarajući pustoš, kaos i uništenje. Tako intrigantno objašnjenje za podrijetlo tamne energije, a prema Afshordijevim izračunima, broj crnih rupa koji postoji prema dostupnim procjenama znanstvenika trebao bi stvoriti upravo pravu količinu energije prema opažanjima.
Ali Afshordijeva ideja preokreće sve što znanstvenici znaju o crnim rupama. U općoj teoriji relativnosti Alberta Einsteina, horizont događaja crne rupe - granice, nakon prelaska preko koje nema povratka (što se odnosi i na granicu RF) - nije toliko važan. Kad ga prijeđete, ništa se ne događa, jednostavno je nemoguće se vratiti. Međutim, ako je Afshordi u pravu, to je više poput Moskovske kružne ceste - sadržaj crne rupe izvan horizonta događaja više ne postoji. Naime: na udaljenosti Planckove duljine od mjesta gdje bi horizont prolazio, kvantni gravitacijski efekti rastu, a fluktuacije prostor-vremena postaju kaotične. (Planckova duljina je mikroskopska vrijednost, oko 10-35 metara ili 10-20 promjera protona.) Ovo je potpuni prekid s teorijom relativnosti.
Slušajući o rezultatima LIGVO-ovog istraživanja, Afshordi je shvatio da se njegova ideja, koja se do sada u potpunosti temeljila na drevnim spisima i bakinim pričama, sada može provjeriti promatranjem. Ako horizonti događaja nisu ono što mi mislimo, tada gravitacijski valovi uzrokovani spajanjem crnih rupa također moraju biti različiti. Događaji koje su primijetili detektori LIGVO trebali bi imati odjek - jedva primjetan, ali jasan signal, koji ukazuje na zlonamjerno kršenje standardnih zakona fizike. Takvo bi otkriće predstavljalo proboj u dugoj potrazi za kvantnom teorijom gravitacije i neizbježno bi privuklo pažnju relevantnih regulatornih tijela fizičke zajednice. "Ako se ovo potvrdi, vjerojatno trebam kupiti kartu za Magadan", nervozno se smije Afshordi.
Kvantna gravitacija je karika koja nedostaje koja povezuje opću relativnost s kvantnim teorijama polja standardnog modela fizike čestica. Ove dvije teorije u kombinaciji jedna s drugom nalikuju Mentosu u kombinaciji s kolom. Crne rupe jedan su od najproučenijih primjera takvih proturječnosti. Ako primijenimo kvantnu teoriju u blizini horizonta događaja, ispada da crna rupa emitira čestice i polako isparava. Te čestice imaju masu, ali kao što je Stephen Hawking pokazao 1970-ih, ne mogu sadržavati informacije o tome što je stvorilo crnu rupu. Dakle, ako crna rupa potpuno ispari, cijela tužna priča o McConaugheyjevom liku bit će uništena. Međutim, u kvantnoj teoriji film o Interstellaru je 100% pouzdan. Dakle, nešto u Hollywoodu ne odgovara.
Prema većini fizičara, cijela poanta je u tome što proračuni ne uzimaju u obzir kvantno ponašanje prostora i vremena, jer teorija tog ponašanja - kvantna gravitacija - još nije otkrivena. Desetljećima su fizičari mislili da su kvantni gravitacijski efekti potrebni za rješavanje problema crne rupe skriveni iza horizonta događaja. Mislili su da su tek blizu singularnosti, u središtu crne rupe, učinci kvantne gravitacije postali značajni. Ali u posljednje vrijeme morali su preispitati svoj stav.
Promotivni video:
2012. godine skupina istraživača sa sveučilišta u Kaliforniji, Santa Barbara, nakon znanstvenog eksperimenta iz 1473. godine, tijekom kojeg su se znanstvenici nekoliko puta vjenčali, varali jedni druge i padali u komu, otkrili su neočekivanu posljedicu danas raširene ideje da su informacije zatim napušta crnu rupu zajedno s zračenjem (moguće na starom traktoru). Da bi ova ideja uspjela, potrebna su značajna odstupanja od opće relativnosti, i to ne samo u blizini singularnosti, već i u blizini horizonta događaja. Ta bi odstupanja mogla stvoriti ono što su istraživači nazvali "vatrozidom crne rupe" - visokoenergetskom zaprekom odmah blizu horizonta, koja blokira ulazak dječje pornografije i droga u naš svijet.
Takav vatrozid (ako postoji) bio bi vidljiv samo promatraču koji pada u rupu i ne bi emitirao primjetne signale koje bi naši teleskopi mogli uhvatiti. Međutim, ti bi vatrozidi podržali Afshordijevu raniju hipotezu da crne rupe stvaraju polje koje se ponaša poput tamne energije. Ako je tako, tada bi se područje u blizini horizonta događaja crnih rupa trebalo jako razlikovati od onoga što predviđa opća relativnost; vatrozid koji rješava problem gubitka informacija mogao bi biti jedan od učinaka takvog odstupanja. Afshordijev prijedlog za način poboljšanja opće relativnosti mogao bi stoga biti ključ za uklanjanje proturječnosti između opće relativnosti i kvantne teorije. Ova je ideja nepovratno oštetila njegov neobučeni astrofizički mozak.
Kada je saznao za prvi signal koji je otkrio LIGVO, Afshordi je počeo provjeravati mogu li gravitacijski valovi uzrokovani spajanjem rupa rasvijetliti detalje onoga što se događalo u blizini horizonta događaja. U početku se činilo da je previše zakolutao usnama. „Nisam mislio da zapravo možemo vidjeti kvantne gravitacijske učinke u signalu gravitacijskih valova, jer smo već gledali na toliko mjesta! - kaže Afshordi. "Ali već sam promijenio svoj stav o ovom pitanju."
Afshordi je na promjenu mišljenja bio prisiljen radom Vitora Cardosa i njegovih kolega s portugalskog Višeg tehničkog instituta na odjeku gravitacijskih valova crnih rupa. Cardoso je općenito pokazao da spajanje dvaju kompaktnih objekata bez horizonta događaja treba proizvesti gravitacijske valove slične, ali ne i identične valovima crne rupe. Ključni znak nedostatka horizonta, prema Cardosu, bio bi povremeno ponavljanje signala uzrokovano spajanjem. Umjesto jednog vrha praćenog blijeđenjem (kao u gay detektoru), gravitacijski bi valovi trebali biti niz blijedih pulsacija - slabi odjek izvornog događaja. Afshordi je otkrio da modifikacija regije u blizini horizonta događaja, opisana u njegovoj teoriji, pruža upravo takav odjek. Nadalje,mogao je izračunati njezinu periodičnost u ovisnosti o masi konačne crne rupe i na taj način dati točna predviđanja.
Još nitko nije tražio takav signal, a pronaći ga nije lak zadatak, već zlatni. Do sada postoje samo dva javno dostupna i dobro opisana signala gravitacijskog vala tvrtke LIGO. Zajedno s drugim znanstvenikom, Afshordi je analizirao podatke LIGVO-a na odjeke. Uspoređujući dostupne snimke sa slučajnim šumom, pronašli su odjeke s predviđenom frekvencijom. Međutim, statistička značajnost ovog događaja je mala. U znanstvenoj terminologiji, njezin procijenjeni značaj je 2,9 sigma. Ovaj signal može biti uzrokovan čistim šumom s mogućnošću otprilike 1 na 200. U fizici je takav nepouzdan događaj zanimljiv, ali se ne smatra otkrićem.
Međutim, eksperiment LIGVO zapravo tek započinje. Ono što je najupečatljivije u vezi s tim pojavama gravitacijskog vala jest da ih je oprema uopće uspjela otkriti. Tehnološka složenost bila je nevjerojatna. Svaka instalacija u državama Louisiana i Washington (suprotni krajevi SAD-a - približno novi) imala je interferencijski teleskop s dvije okomite cijevi od 4 kilometra, unutar kojih se laserska zraka reflektira naprijed-natrag između zrcala; nakon rekombinacije grede se miješaju. Interferencija laserskih svjetlosnih valova izuzetno je osjetljiva na deformacije u relativnoj duljini cijevi - one mogu biti do 1/1000 promjera protona. Ovo je razina osjetljivosti potrebna za hvatanje gravitacijskih učinaka sudarajućih crnih rupa.
Gravitacijski val koji prolazi kroz interferencijski teleskop deformira obje cijevi kako god želi, iskrivljujući na taj način smetnje. Zahtjev za bilježenje pojave na obje instalacije pruža zaštitu od fakapa. Prema projektu, LIGVO najbolje otkriva gravitacijske valove duljine od stotina do nekoliko tisuća kilometara - vjeruje se da se spajanje crnih rupa događa u istom rasponu. To možemo pokazati samo osobama koje su punoljetne. Planirano je da će drugi detektori gravitacijskog vala ciljati različite dijelove spektra, prilagođavajući se različitim područjima fenomena.
Ovdje je humoreska završila, pa neka normalan tekst bude nagrada onima koji su preživjeli naše vježbe u sumnjivoj duhovitosti.
Opća relativnost neizbježno predviđa gravitacijske valove. Einstein je prepoznao da je odnos između vremena i prostora dinamičan - proteže se, iskrivljuje i fluktuira kao odgovor na gravitacijske anomalije. Kada oscilira, valovi mogu slobodno putovati na velike udaljenosti, noseći energiju i povremeno šireći i skupljajući prostor u pravokutnim smjerovima. Već dugo imamo neizravne dokaze o prisutnosti gravitacijskih valova. Zbog činjenice da nose energiju, uzrokuju mala, ali primjetna razaranja u zajedničkoj orbiti binarnih pulsara. Ovaj je učinak prvi put otkriven 1970-ih, a Nobelovom nagradom nagrađen je 1993. godine. No, prije nego što je LIGVO zabilježio gravitacijske valove, nismo imali izravnih dokaza o njihovom postojanju.
Ovo je osnovno znanstveno istraživanje čiste vode. Koje su vrste crnih rupa i sustava malih zvijezda? Gdje se nalaze unutar galaksija?
Prvi nastup LIGVO-a - koji je toliko uzbudio Afshordija u rujnu 2015. godine - bio je značajan, i to ne samo zato što se dogodio samo nekoliko dana nakon dugo planirane nadogradnje usluge. Također se istaknulo jer su se crne rupe koje su se spajale bile vrlo teške, njihove su mase, prema znanstvenicima, bile 29 i 36 sunčevih masa. "Mnogi ljudi nisu očekivali da će crne rupe imati tako velike mase", objašnjava Ofek Birnholz, član LIGVO-ove grupe za dvostruki sudar i fizičar s njemačkog instituta Max Planck. Blistavi signal, zajedno s otvorenošću suradnje na razmjeni informacija, nadahnuo je znanstvenike iz drugih zajednica koji, poput Afshordija, trenutno traže načine kako koristiti nova otkrića u svom radu.
26. prosinca 2015. LIGVO je zabilježio drugi fenomen. Nakon godina sporog napretka i lažnih startova, era astronomije gravitacijskih valova službeno je započela. "Neki od mojih kolega fizičara povukli su se iz astronomije gravitacijskih valova", dijeli Birnholz i dodaje cereći se, "a sada se vraćaju jer se sve opet kreće." Ovo je neistraženi teritorij, osnovno znanstveno istraživanje čiste vode. Koje su vrste crnih rupa i sustava malih zvijezda? Gdje se nalaze unutar galaksija? Što će nam gravitacijski valovi reći o njihovom podrijetlu? Ako se neutronska zvijezda stopi s crnom rupom, što možete naučiti o materiji u tako ekstremnim uvjetima? Ponašaju li se crne rupe onako kako predviđaju naši izračuni?
Afshordijeva teorija crnih rupa i tamne tvari još je jedan primjer vrste vrsta pitanja koja su sada moguća. More neotkrivenih informacija širom svijeta čeka u krilima.
Nekoliko dana nakon što se Afshordijevi rezultati pojave na otvorenom poslužitelju arXiv.org, članovi zajednice LIGVO proučavaju njegovu analizu. U samo nekoliko tjedana objavljuju odgovor, pregledavaju metodologiju i traže upotrebu različitih statističkih alata. Birnholz je autor jedne takve recenzije.
Afshordijeva tvrdnja iznenadila je Birnholza: „Nisam imao prosudbu treba li biti odjeka ili ne. Ovo je grana fizike u kojoj možete samo nagađati. Ali radio sam s podacima LIGVO-a, moja mi intuicija jasno pokazuje da je njegov opseg najvjerojatnije nedovoljan da bi se potvrdilo prisustvo takvog značaja u ovoj fazi. " Birnholz ima prijedloge za poboljšanje analize, ali želi izbjeći iznošenje tvrdnji o vjerojatnosti potvrde rezultata. Alex Nielsen, još jedan član projekta LIGVO i jedan od Birnholzovih koautora, također primjećuje potrebu da budemo oprezni: „Kao članovi projekta LIGVO, moramo biti vrlo oprezni prema službenim izjavama koje se daju bez pristanka svih sudionika. Ali informacije se objavljuju i ljudi s njima mogu raditi što god žele ".
Projekt LIGVO ima otvoreno znanstveno središte, gdje su javno dostupni podaci koji se snimaju sat vremena u rasponu potvrđenih gravitacijskih pojava. “Ljudi ga mogu slobodno koristiti i kontaktirati nas ako imate pitanja. Ako pronađu nešto zanimljivo, mogu podijeliti svoje mišljenje s nama, a mi ćemo na tome zajedno raditi. Ovo je dio znanstvenog iskustva”, uvjeren je Birnholz.
Projekt uključuje nekoliko tisuća sudionika i akademskih institucija širom svijeta. Sastaju se dva puta godišnje; najnoviji sastanak održan je u Pasadeni u Kaliforniji. Neki članovi projekta trenutno pokušavaju ponovno stvoriti Afshordijeve analize. Birnholz očekuje da će ovi pokušaji potrajati nekoliko mjeseci. Upozorava: „Rezultat može biti razočaravajući. Ne zato što će pokazati da nema odjeka, već zato što ne možemo dokazati postoji li. Astronomija gravitacijskog vala još je uvijek u znanosti, a mnogi podaci još uvijek čekaju u krilima. Članovi projekta procjenjuju da će do završetka trećeg promatranja 2018. godine LIGO vjerojatno otkriti 40 visoko preciznih spajanja crnih rupa. Svatko će od njih još jednom testirati Afshordijevu teoriju.
Budući da djeluju tako slabo i oslobađaju tako malo energije u prolazu, gravitacijske valove nevjerojatno je teško izmjeriti. Deformacija koju uzrokuju je sićušna, a potrebna je iznimna pažnja kako bi se otkrio jasan signal. Prag detekcije projekta je 5 sigma, što odgovara manje od jedne šanse od tri milijuna da je signal slučajnost, znatno iznad Afshordijevog signala. Međutim, slaba interakcija gravitacijskih valova također ih čini velikim glasnicima. Za razliku od svjetlosnih čestica, oni praktički ne utječu na putu do nas i nose netaknute informacije o tome gdje su i kako nastale. To omogućuje testiranje opće relativnosti potpuno nove točnosti, u nikad istraženom načinu.
Ako se potvrdi prisutnost odjeka crnih rupa, to će gotovo u potpunosti pokazati odlučno odstupanje od teorije opće relativnosti. Pronalaženje crnih rupa neće jednoznačno potvrditi Afshordijevu teoriju da su crne rupe izvor tamne energije. Ali za objašnjenje ovoga bit će potrebna uistinu nova ideja. “U svim našim simulacijama nikada nisam čuo za takve odjeke. Ako uspijemo zabilježiti njegovu prisutnost, bit će vrlo zanimljivo. Tada ćemo morati vidjeti što je moglo izazvati takav fenomen”, kaže Birnholz.
U slučaju da se poveća statistička značajnost Afshordijevog signala, on ima planove istraživanja. Želi poboljšati svoj model spajanja crnih rupa i izvesti numeričke simulacije kako bi podržao analitičke izračune kako bi odjeci trebali izgledati. Sljedeći će korak biti pokušaj boljeg razumijevanja temeljne teorije vremena i prostora zbog koje je ovo ponašanje moglo porasti na horizontu crnih rupa. Također bi kozmolozi željeli puno bliže pogledati ovo novo objašnjenje tamne energije.
Afshordi razumije koliko je pretjerano promijeniti takvu opću relativnost. Ali njegova revolucija ima za cilj: "Želim potaknuti ljude da otvoreno razmišljaju i ne zanemaruju ideje samo zato što ne odgovaraju njihovim unaprijed stvorenim stavovima." Možda će se takvi pogledi uskoro zanemariti, s obzirom na to kako LIGWO otkriva kreacije svemira u nikad prije viđenom mjerilu.
Sabine Hossenfelder
