Nová pozorování dvou černých dírů sloučení potvrdila předpovědi před desítkami let Albert Einstein, Stephen Hawking a Roy Kerr.
Před deseti lety vědci poprvé zvedl vlnky v látce prostoruznámý jako Gravitační vlnyProdukované kolizí dvou černých děr. Nyní, za pomoci vylepšeného instrumentace a zdvihu štěstí, nově pozorované černá díra Merger nabízí dosud nejvýhodnější pohled na to, jak se černé díry chovají-a v tomto procesu poskytuje dlouho hledané potvrzení klíčových předpovědí Alberta Einsteina a Stephena Hawkinga.
Nejnovější měření pocházejí z laserového interferometru gravitační vlny observatory (Ligo), s analýzami vedenými astrofyziky Maximiliano ISI a Will Farr z Flatiron Institute pro výpočetní astrofyziku v New Yorku. Zjištění se osvětlují černá díra vlastnosti a základní struktura časoprostoru, což naznačuje možné body kontaktu mezi kvantovou fyzikou a Einsteinovou obecnou relativitou.
„Toto je dosud nejjasnější pohled povahy černých děr,“ říká ISI, který je také docentem v Columbia University. „Dosud jsme našli některé z nejsilnějších důkazů, že astrofyzikální černé díry jsou černé díry předpovídané z teorie obecné relativity Alberta Einsteina.“
Zjištění byla nedávno zveřejněna v časopise Fyzikální kontrolní dopisy spoluprací Ligo-Virgo-Kagra.
Černé otvory a gravitační vlny
U masivních hvězd označují černé díry poslední krok v jejich životních cyklech. Jejich gravitace je tak intenzivní, že ani světlo nemůže uniknout. Když se srazí dvě černé díry, osnovují se prostor a vytvářejí gravitační vlny, které cestují ven přes kosmos, podobné způsobu, jakým zvoní po zasažení.
Tyto vlnky pro vymáhání prostoru, nazývané gravitační vlny, mohou vědcům říci hodně o objektech, které je vytvořily. Stejně jako velký železný zvonek vydává odlišné zvuky než menší hliníkový zvon, „zvuk“, který fúze černé díry vyrábí, je specifický pro vlastnosti zúčastněných černých otvorů.
Vědci mohou detekovat gravitační vlny se speciálními nástroji v observatořích, jako je Ligo ve Spojených státech, Panna v Itálii a Kagra v Japonsku. Tyto nástroje pečlivě měří, jak dlouho trvá laser, aby cestoval danou cestou. Jak se gravitační vlny protahují a stlačují časoprostor, délka nástroje, a tedy doba cestování světla, se mění mírně. Měřením těchto drobných změn s velkou přesností je mohou vědci použít k určení vlastností černých děr.
Bylo zjištěno, že nově hlášené gravitační vlny jsou vytvořeny sloučením, která vytvořila černou díru s hmotností 63 sluncí a točily při 100 revolucích za sekundu. Zjištění přicházejí 10 let poté, co Ligo provedl první detekci fúzí černé díry. Od tohoto mezníkového objevu, vylepšení vybavení a technik umožnila vědcům získat mnohem jasnější pohled na tyto události otřesení prostoru.
„Nový pár černých děr je téměř dvojčaty k historické první detekci v roce 2015,“ říká ISI. „Ale nástroje jsou mnohem lepší, takže jsme schopni analyzovat signál způsobem, který nebyl možný před 10 lety.“
S těmito novými signály se ISI a jeho kolegové úplně podívali na kolizi od okamžiku, kdy se černé díry poprvé dopadly, dokud se konečné dozvuky, když se sloučená černá díra usadila do svého nového stavu, ke kterému došlo pouze po prvním kontaktu.
Dříve byly konečné dozvuky obtížné zachytit, protože do té doby by vyzvánění černé díry bylo velmi slabé. Výsledkem je, že vědci nemohli oddělit vyzvánění kolize od kolize samotné poslední černé díry.
Odemčení vyzvánění černých děr
V roce 2021 vedl ISI Studie představující metodu špičkové úrovně že on, Farr a další se vyvinuli k izolaci určitých frekvencí – nebo „tónů“ – pomocí dat z fúze Black Hole 2015. Tato metoda se ukázala jako silná, ale měření z roku 2015 nebyla dostatečně jasná, aby potvrdila klíčové předpovědi o černých dírách. S novými, přesnějšími měřeními však byla ISI a jeho kolegové přesvědčeni, že úspěšně izolovali milisekund dlouhý signál finálního, osídlenou černou díru. To umožnilo jednoznačnější testy povahy černých děr.
„Deset milisekund zní opravdu krátce, ale naše nástroje jsou mnohem lepší, že je pro nás dost času na to, abychom skutečně analyzovali zvonění poslední černé díry,“ říká ISI. „S touto novou detekcí máme skvěle podrobný pohled na signál jak před i po fúzi černé díry.“
Nová pozorování umožnila vědcům otestovat klíčovou domněnku, která se datuje desetiletí, že černé díry jsou zásadně jednoduché objekty. V roce 1963 fyzik Roy Kerr použil Einsteinovu obecnou relativitu s matematicky popisem černých děr s jednou rovnicí. Rovnice ukázala, že astrofyzikální černé díry lze popsat pouze dvěma charakteristikami: rotací a hmotností. U nových údajů o kvalitě kvalitně byli vědci schopni měřit frekvenci a trvání zvonění sloučené černé díry přesněji než kdykoli předtím. To jim umožnilo vidět, že sloučená černá díra je skutečně jednoduchý objekt, který popsal pouze jeho hmotnost a rotace.
Pozorování byla také použita k testování základní myšlenky navržený Stephenem Hawkingem s názvem Hawkingova věta. Uvádí, že velikost horizontu události černé díry – linie, kterou se nic, ani lehké, se nemůže vrátit – může růst pouze. Testování, zda tato věta použije, vyžaduje výjimečná měření černých děr před a po jejich sloučení. Po první detekci fúzí černé díry v roce 2015 se Hawking přemýšlel, zda by podpis fúzí mohl být použit k potvrzení jeho věty. V té době si nikdo nemyslel, že je to možné.
Do roku 2019, rok po Hawkingově smrti, se metody dostatečně zlepšily, že přišlo první předběžné potvrzení pomocí technik vyvinutých ISI, Farr a kolegy. Nová data s čtyřkrát lepším řešením dávají vědcům mnohem větší jistotu, že Hawkingova věta je správná.
Černé díry a šipka času
Při potvrzení Hawkingovy věty naznačují výsledky také spojené s druhým zákonem termodynamiky. Tento zákon uvádí, že majetek, který měří poruchu systému, známou jako entropie, se v průběhu času musí zvyšovat nebo alespoň zůstat konstantní. Porozumění termodynamice černých děr by mohlo vést k pokroku v jiných oblastech fyziky, včetně kvantové gravitace, jejímž cílem je sloučit obecnou relativitu s kvantovou fyzikou.
„Je opravdu hluboké, že velikost horizontu černé díry se chová jako entropie,“ říká ISI. „Má velmi hluboké teoretické důsledky a znamená, že některé aspekty černých děr lze použít k matematické zkoumání skutečné povahy prostoru a času.“
Mnoho lidí má podezření, že budoucí detekce fúzí černé díry odhalí více o povaze těchto objektů. Očekává se, že v příštím desetiletí se detektory stanou 10krát citlivějšími než dnes, což umožňuje přísnější testy charakteristik černé díry.
„Poslech tónů emitovaných těmito černými dírami je naší nejlepší nadějí na to, abychom se dozvěděli o vlastnostech extrémních vesmírných časů, které produkují,“ říká Farr, který je také profesorem na Stony Brook University. „A jak budujeme více a lepší gravitační detektory vln, přesnost se bude i nadále zlepšovat.“
„Toto pole bylo tak dlouho čistě matematické a teoretické spekulace,“ říká ISI. „Ale teď jsme v pozici, kdy skutečně vidíme tyto úžasné procesy v akci, což zdůrazňuje, jak velký pokrok v této oblasti došlo – a bude i nadále – i nadále.“
Reference: „GW250114: Testování oblasti Hawkingova oblasti a Kerrova povaha černých děr“ od A. G. Abac, I. Abouelfettouh, F. Acernese, K. Ackley, C. Adamcewicz, S. Adhicary, D. Adhikari, N. Adhikari, R. X. Adhikari, Adhikari, Adhikari, Adhikari, Adhikari, Adhikari, Adhikari, Adhikari, R. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. (Ligo Scientific, Panna a Kagra spolupráce), 10. září 2025, Fyzikální kontrolní dopisy.
Doi: 10,1103/kw5g-d732
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
