4 Minutės
Dešimt metų po pirmojo aptikimo: aiškesnis kosminis dundesys
Praėjus dešimčiai metų nuo pirmojo tiesioginio gravitacinių bangų aptikimo, naujas, išskirtinai stiprus signalas leido fizikos mokslininkams su neįprasta tikslumu patikrinti juodųjų skylių fizikos esminį dėsnį. Straipsnis publikuotas Physical Review Letters ir praneštas tarptautinės LIGO/Virgo/KAGRA (LVK) bendradarbiavimo, įvykis GW250114 labai primena pirmąjį aptikimą, GW150914, tačiau dėl dešimtmečio trukusių detektorių atnaujinimų jis užfiksuotas kur kas aiškiau.
Gravitacinės bangos yra erdvės-laiko bangelės, kurias sukuria pagreitintos masės, pavyzdžiui susiliejančios juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės. 2015 m. atradimas GW150914 — pirmasis tiesioginis tokių bangų stebėjimas — patvirtino Einšteino bendrosios reliatyvumo prognozę ir atvėrė gravitacinių bangų astronomijos erą. Nuo tada LIGO JAV, Virgo Italijoje ir KAGRA Japonijoje užfiksavo šimtus signalų, o vien tik ketvirtasis stebėjimų ciklas žymiai išplėtė katalogą.
Gravitacinių bangų signalai, užfiksuoti LIGO Hanford detektoriumi beveik prieš dešimt metų. (LIGO/J. Tissino (GSSI)/R. Hurt (Caltech-IPAC))
Hawkingo plotų teoremos tikrinimas su GW250114
Naujai paskelbtas GW250114 kilo iš dvejetainio juodųjų skylių susijungimo, kurio masės ir sukimai labai panašūs į tuos, kurie buvo GW150914. Skirtumas yra signalo ir triukšmo santykyje: GW250114 yra maždaug keturis kartus „garsesnis", todėl leidžia tiksliau nustatyti parametrus. LVK analizė atskyrė dviejų pradinio komponento juodųjų skylių ir likusios juodosios skylės matavimus ir palygino atitinkamus įvykių horizontų plotus.
Šis matavimas tiesiogiai tikrina Hawkingo antrąjį juodųjų skylių mechanikos dėsnį, dažnai vadinamą plotų teorema. Prieš daugiau nei penkiasdešimt metų Stephen Hawking ir Jacob Bekenstein sukūrė juodųjų skylių termodinaminį vaizdinį: Bekensteinas susiejo juodosios skylės įvykių horizonto plotą su entropija, o Hawkingas parodė, kad klasikiniais procesais plotas negali sumažėti. Matavę masę ir sukimą prieš susijungimą ir po jo — du dydžius, kurie lemia horizonto plotą — mokslininkai gali patikrinti, ar galutinis horizonto plotas yra bent jau lygus pradinių plotų sumai.
Ši simuliacija rodo gravitacines bangas, kurias sukuria dvi besisukančios juodosios skylės.
GW250114 duomenys itin gerai atitinka teorinius bangų formos modelius. LVK komanda praneša, kad apskaičiuotas galutinis horizonto plotas yra suderinamas su — ir didesnis už — pradinėse juodose skylėse buvusių plotų sumą, taip pateikdama iki šiol griežčiausią Hawkingo plotų teoremos patvirtinimą.
Reikšmė fundamentaliems fizikos klausimams ir būsimoms paieškoms
Šis rezultatas stiprina juodųjų skylių termodinaminį aiškinimą ir palaiko klasikinį bendrąjį reliatyvumą stiprios lauko, dinaminėje srityje. Kadangi horizonto plotas susijęs su entropija, atradimas taip pat dera su antruoju termodinamikos dėsniu, kai juodosios skylės sąveikauja.
Aptikime dalyvavo tarptautinės komandos, įskaitant Australijos mokslininkus iš ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav). Detektorių jautrumo pagerinimai yra esminiai: aiškesni signalai leidžia tikrinti egzotiškas hipotezes apie kvantinę gravitaciją, modifikuotą gravitaciją ir galimus tamsiosios materijos požymius, sąveikaujančius su kompaktiniais objektais.
Stebėta gravitacinė banga GW250114 (LVK 2025). Stebimi duomenys parodyti šviesiai pilka spalva. Lygus mėlynas kreivė rodo geriausiai pritaikytus teorinius bangų formos modelius, kurie puikiai sutampa su stebimu signalu. (LIGO, Virgo ir KAGRA bendradarbiavimas)
Ekspertės įžvalga
Dr. Elena Marquez, astronomė (fiktyvi), komentuoja: 'GW250114 yra reikšmingas, nes leidžia mums su tikslumu, kurio neturėjome prieš dešimt metų, palyginti pradinius ir galutinį juodąsias skyles. Stebėjimo sąlygomis patvirtinant plotų teoremą uždaromas ilgai egzistavęs ryšys tarp teorijos ir matavimo ir sukuriama bazė kvantinių pataisų juodųjų skylių entropijai tikrinti.'
Ateityje toliau tobulinami detektoriai ir planuojamos naujos kartos observatorijos išplės aukštos kokybės įvykių katalogą. Kiekvienas naujas, „garsus" susijungimas yra proga išbandyti gravitaciją, tirti juodųjų skylių termodinamiką ir ieškoti nukrypimų, kurie galėtų rodyti naują fiziką — įskaitant apribojimus tamsiosios materijos kandidatams arba įžvalgas apie kvantines horizonto savybes.
Išvados
GW250114 pateikia aiškiausią iki šiol stebiminį patvirtinimą, kad juodųjų skylių susijungimai laikosi Hawkingo plotų teoremos: horizonto plotas po susidūrimo nėra mažesnis už pradinių plotų sumą. Šis rezultatas sustiprina ryšį tarp juodųjų skylių mechanikos ir termodinamikos, patvirtina bendrąjį reliatyvumą ekstremaliomis sąlygomis ir parodo, kaip pagerėjęs gravitacinių bangų jautrumas atveria naujus fundamentalių fizikos klausimų langus.
Šaltinis: sciencealert
Komentarai