Σύγκρουση μελανών οπών δικαιώνει τον Αϊνστάιν για τη γενική σχετικότητα

Το μεγαλύτερο κοσμικό ατύχημα που έχει καταγραφεί μέχρι σήμερα, η σύγκρουση δύο μελανών οπών με συνολική μάζα 250 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου, επέτρεψε στους φυσικούς να θέσουν σε νέα δοκιμασία τη θεωρία της γενικής σχετικότητας.

Μελέτη που δημοσιεύεται στην επιθεώρηση Physical Review Letters εξετάζει τα βαρυτικά κύματα που προκάλεσε η σύγκρουση, κυματισμούς στην υφή του χωροχρόνου που πηγάζουν από επιταχυνόμενα αντικείμενα μεγάλης μάζας, όπως μαύρες τρύπες και άστρα νετρονίων που συγκρούονται.

«Δεν πίστευα ποτέ ότι θα έβλεπα μια τέτοια μέτρηση όσο ζω»

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 ανιχνευτές LIGO, σχεδιασμένοι να καταγράφουν απειροελάχιστες μεταβολές του μήκους δύο τούνελ των τεσσάρων χιλιομέτρων, ανίχνευσαν για πρώτη φορά βαρυτικά κύματα από συγκρούσεις μελανών οπών.

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

Κωδωνισμός

Σήμερα, οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO στις ΗΠΑ και Virgo στην Ιταλία καταγράφουν συγκρούσεις μελανών οπών περίπου μια φορά την εβδομάδα. Η μεγαλύτερη τέτοια σύγκρουση καταγράφηκε στις 21 Μαΐου 2019 και πήρε την ονομασία GW190521. Το συμβάν έγινε αντιληπτό από τα βαρυτικά κύματα που εξέπεμπαν οι μαύρες τρύπες καθώς κινούνταν σπειροειδώς η μία γύρω από την άλλη πριν τελικά συγχωνευτούν. Για μια στιγμή, η νέα μαύρη τρύπα που προέκυψε είχε δίλοβο σχήμα, σταθεροποιήθηκε όμως σε σχήμα σφαίρας μέσα σε μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Η νέα μελέτη ουσιαστικά ανιχνεύει τα βαρυτικά κύματα που εξέπεμπε η μαύρη τρύπα καθώς σταθεροποιούταν. Το σήμα είχε καταγραφεί από τους ανιχνευτές LIGO και Virgo, δεν ήταν όμως ορατό πριν ολοκληρωθεί η νέα ανάλυση.

«Δεν πίστευα ποτέ ότι θα έβλεπα μια τέτοια μέτρηση όσο ζω» σχολίασε στον δικτυακό τόπο του Nature ο Μπάντρι Κρίσναν του Πανεπιστημίου Ράντμπουντ της Ολλανδίας, μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Η μελέτη επιβεβαιώνει ότι η συχνότητα κωδωνισμού μιας νεογέννητης μαύρης τρύπας εξαρτάται μόνο από τη μάζα και την περιστροφή της, μια πρόβλεψη που έχει γίνει γνωστή ως «no-hair theorem» ή «θεώρημα της άτριχης μαύρης τρύπας», σε ελεύθερη απόδοση.

Το θεώρημα είχε διατυπωθεί τη δεκαετία του 1960 ως συνέπεια της γενικής σχετικότητας, μέχρι σήμερα όμως δεν είχε επιβεβαιωθεί πειραματικά.

Σε γενικές γραμμές, όσο μεγαλύτερη είναι μια μαύρη τρύπα, τόσο μεγαλύτερη είναι και η συχνότητα κωδωνισμού. Η νέα ανάλυση αποκαλύπτει ότι η μαύρη τρύπα που προέκυψε από τη σύγκρουση δεν είχε μάζα 150 φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου, όπως είχε υπολογιστεί, αλλά 250 φορές.

Οι μαθηματικές τεχνικές που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές ανοίγουν τώρα το δρόμο για αναδρομική ανάλυση των δεδομένων από πολλές ακόμα τέτοιες συγκρούσεις.