Najgłośniejszy zderzenie fal grawitacyjnych, jakie kiedykolwiek słyszano, umożliwił nam wgląd w horyzonty zdarzeń, czyli granice, poza którymi nic nie może uciec z uścisku czarnych dziur.
The fala grawitacyjna sygnał GW250114 został odebrany w styczniu 2025 roku przez LIGO (Laserowe Interferometrowe Obserwatorium Fal Grawitacyjnych), Panna i KAGRA (Detektor Fal Grawitacyjnych Kamioka). Sygnał powstał, gdy dwa czarne dziury o masie około 32 razy większej od słońce zderzyły się i spowodowały falowanie samej tkanki przestrzeni.
Teraz zespół badaczy ocenił ten sygnał i odkrył, że cecha fal grawitacyjnych reprezentuje kolektyw horyzont zdarzeń zaangażowanych czarnych dziur w samym momencie zderzenia.
„Zmierzyliśmy ostatni dźwięk wydawany przez czarne dziury w momencie zderzenia. W tym sygnale ukryty jest niewielki składnik, zwany falami bezpośrednimi, który nie był wcześniej dobrze poznany” – współprzewodniczący badań Neil Lu z Centrum Doskonałości ARC ds. Odkrywania Fal Grawitacyjnych (OzGrav), – napisano w oświadczeniu. „Nasza nowa analiza pozwala nam rozszyfrować ten składnik i wydobyć unikalne informacje z okolic horyzontu zdarzeń”.
Badania zespołu ukazują intrygującą możliwość wykorzystania fal grawitacyjnych do badania granic tajemniczych czarnych dziur.
Horyzonty zdarzeń i punkt bez powrotu
Koncepcja horyzontu zdarzeń pojawiła się po raz pierwszy dzięki rozwiązaniom równań teorii grawitacji Alberta Einsteina z 1915 r. ogólna teoria względności. Rozwiązania te zostały opracowane przez Karla Schwarzschilda podczas służby w armii niemieckiej na froncie wschodnim podczas I wojny światowej.
Schwarzschild znalazł punkt wokół ciała mającego masę, w którym prędkość ucieczki, czyli prędkość potrzebna do uwolnienia się spod grawitacyjnego uścisku tego ciała, przekracza prędkość światła. Znany również jako promień Schwarzschilda, wielkość tej granicy zależy od masy ciała. Zatem promień Schwarzschilda dla Słońca będzie wynosił około 3 km od jego środka masy; dla Ziemi byłoby to zaledwie 0,35 cala (9 milimetrów) od środka masy naszej planety. Tak jest w przypadku wszystkich planet i gwiazd; promień Schwarzschilda mieści się w ciałach tych obiektów.
Jednak w przypadku czarnej dziury promień Schwarzschilda znajduje się daleko od środka masy, co stanowi zewnętrzną granicę wychwytującą światło: horyzont zdarzeń. Aby z tego punktu uciec spod grawitacyjnego uścisku czarnej dziury, materia musiałaby przyspieszyć do prędkości większej niż prędkość światła, co zgodnie z teorią Einsteina szczególna teoria względności mówi nam, że wymagałoby to nieskończonej energii. Nic we wszechświecie nie porusza się szybciej niż światło; zatem nic nie umknie horyzontowi zdarzeń.
Aby zrozumieć, dlaczego owiana jest to tajemnicą czarnej dziury, zastanów się, że żaden sygnał nie może przemieszczać się szybciej niż światło. Oznacza to, że horyzont zdarzeń jest jednokierunkową barierą dla informacji. Czarna dziura może ją połknąć, ale horyzont zdarzeń uniemożliwia jej wyplucie informacji. Nigdy nie będziemy w stanie obserwować wnętrza czarnej dziury.
Nic dziwnego, że naukowcy tak chętnie badają horyzonty zdarzeń i to, co się w nich dzieje. Chcą nie tylko zrozumieć fizykę materii biorącej udział w jednokierunkowej podróży do paszczy czarnej dziury, ale także wpływ tych kosmicznych tytanów na samą strukturę przestrzeni.
Ogromny wpływ grawitacyjny czarnych dziur oznacza, że obracając się, ciągną ze sobą samą materię przestrzeni, co jest zjawiskiem zwanym „przeciąganie ramek” lub efekt Lense-Thirringa. Wprowadza to kolejną regułę dotyczącą horyzontów zdarzeń — nie tylko nic nie wymyka się z tej granicy, ale też nic tam nie pozostaje nieruchome. To badanie przybliża naukowców o krok bliżej do zrozumienia tych praw bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej.
„Badaliśmy GW250114, najgłośniejszy zaobserwowany do tej pory sygnał układu podwójnego czarnej dziury, około trzy razy głośniejszy niż pierwszy sygnał fali grawitacyjnej wykryty dziesięć lat temu” – powiedział współprzewodniczący zespołu Ling Sun z OzGrav. „Nasza analiza pokazuje, że ten wyjątkowo głośny sygnał może zostać wykorzystany jako potężna sonda horyzontu pozostałości czarnej dziury, umożliwiająca zmierzenie jej dwóch podstawowych właściwości: częstotliwości rotacji i grawitacji powierzchniowej”.
Wyniki mogą również rzucić więcej światła na zachowanie grawitacji w najbardziej ekstremalnym środowisku we wszechświecie, na samym brzegu czarnej dziury.
„Te pomiary stanowią pierwszy krok w kierunku przyszłych testów ogólnej teorii względności z wykorzystaniem fal bezpośrednich” – powiedział Lu.
Wyniki badania opublikowano w środę (24 czerwca) w czasopiśmie Natura.
