Pred milijardo let sta dve plesni črni luknji naredili zadnjo revolucijo, se združili in v nekaj sekundah sprostili ogromno energije. Tako kot cunami, ki se zgodi v bazenu, potem ko ste skočili z bombo, je tudi ta združitev povzročila gravitacijske valove v vesoljsko-časovnem kontinuumu. Hitro naprej na planet Zemljo leta 2015, saj leta 2007 še vedno ne bomo mogli tja. Po epskem potovanju po našem sončnem sistemu potujejo gravitacijski valovi iz združitve črnih lukenj. Zjutraj med 11. in 14. septembrom sta nekoliko odmikala anteni dveh detektorjev v Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) v Louisiani in zvezni državi Washington. Narava svetlobnih valov se spreminja na poseben način, natanko tako, kot se je dolgo pričakovalo. Računalnik zasliši nix.
Niaesh Afshordi z univerze Elk in Lumberjacks v Waterlooju v Kanadi je prvič slišal za LIGWO-jevo znamenito odprtje med kosilom v menzi. Bilo je konec leta 2015, do uradne objave rezultatov pa je ostalo še nekaj tednov. Toda govorice so se že širile in Afshordijev kolega, ki je videl neobjavljeni članek, ni zdržal termorektalne kriptanalize in je informacije zažgal. Afshordi, astrofizik in devica, ki je med drugim delal na Inštitutu za obod Waterloo, je takoj razumel pomen te novice - tako za celotno fizično skupnost kot za svojo nestandardno teorijo o strukturi vesolja.
»V nekem trenutku sem posebej ujel Larina. Zdelo se mi je, da so vse težave v kozmologiji že stokrat zakašljale, «se spominja Afshordi. "Potem pa sem enkrat pretiraval z javorjevim sirupom in prišel do zaključka, da temno energijo proizvajajo črne luknje." Študije oddaljenih zvezdnih eksplozij in nekateri drugi dokazi kažejo, da se naše vesolje širi vse bolj, vendar nihče ne ve, zakaj. Za ta učinek zgolj snov ni dovolj, zato kozmologi širijo krivdo za posebno vrsto energije, imenovano "temna energija" […]. Njegov izvor in narava sta bila in ostajata skrivnost.
Leta 2009, ki je precej blizu leta 2007, vendar še vedno premalo, je Afshordi skupaj s sodelavcema Chando Prescod-Weinstein in Michaelom Baloujem predstavil teorijo, da črne luknje ustvarjajo veliko polje, ki se obnaša kot temna energija. To polje izvira iz črnih lukenj in se širi po vsem vesolju, povzroča opustošenje, kaos in uničenje. Tako intrigantna razlaga izvora temne energije in po izračunih Afshordija naj bi število črnih lukenj, ki obstajajo po razpoložljivih ocenah znanstvenikov, ustvarilo ravno pravo količino energije glede na opažanja.
Toda Afshordijeva ideja spremeni vse, kar znanstveniki vedo o črnih luknjah. V splošni teoriji relativnosti Alberta Einsteina obzorje dogodkov črne luknje - meje, po prečkanju katere ni poti nazaj (kar velja tudi za mejo Ruske federacije) - ni tako pomembno. Ko ga prečkate, se nič ne zgodi, le nemogoče se je vrniti. Če pa ima Afshordi prav, je bolj podobno Moskovski obvoznici - vsebina črne luknje onkraj obzorja dogodkov ne obstaja več. Namreč: na razdalji Planckove dolžine od mesta, kamor bi prehajalo obzorje, rastejo kvantni gravitacijski učinki in nihanja v prostoru-času postanejo kaotična. (Planckova dolžina je mikroskopska vrednost, približno 10-35 metrov ali 10-20 premerov protona.) To je popoln prelom s teorijo relativnosti.
Zaslišavši rezultate LIGVO-jeve raziskave, je Afshordi spoznal, da je njegovo idejo, ki je do zdaj v celoti temeljila na starodavnih spisih in zgodbah babic, zdaj mogoče preveriti z opazovanjem. Če obzorja dogodkov niso takšna, kot mislimo, morajo biti drugačni tudi gravitacijski valovi, ki jih povzroča združevanje črnih lukenj. Dogodki, ki jih opazijo detektorji LIGVO, bi morali imeti odmev - komaj opazen, a jasen signal, ki kaže na zlonamerno kršitev standardnih zakonov fizike. Takšno odkritje bi bilo preboj v dolgem iskanju kvantne teorije gravitacije in bi neizogibno pritegnilo pozornost ustreznih regulativnih teles fizične skupnosti. "Če se to potrdi, bom verjetno moral kupiti vozovnico za Magadan," se nervozno smeji Afshordi.
Kvantna gravitacija je manjkajoči člen, ki povezuje splošno relativnost s teorijami kvantnega polja standardnega modela fizike delcev. Ti dve teoriji v kombinaciji med seboj spominjata na Mentos v kombinaciji s kolo. Črne luknje so eden najbolj proučenih primerov takšnih protislovij. Če uporabimo kvantno teorijo blizu obzorja dogodkov, se izkaže, da črna luknja oddaja delce in počasi izhlapeva. Ti delci imajo maso, vendar, kot je Stephen Hawking pokazal v sedemdesetih letih, ne morejo vsebovati informacij o tem, kaj je oblikovalo črno luknjo. Če bo črna luknja popolnoma izhlapela, bo celotna žalostna zgodba o McConaugheyjevem liku uničena. Vendar je v kvantni teoriji film o Medzvezdju 100% zanesljiv. Zato nekaj v Hollywoodu ne ustreza.
Po mnenju večine fizikov je celotna poanta v tem, da izračuni ne upoštevajo kvantnega obnašanja prostora in časa, ker teorija tega vedenja - kvantna gravitacija - še ni bila odkrita. Fiziki so desetletja mislili, da so kvantni gravitacijski učinki, potrebni za rešitev vprašanja črne luknje, skriti za obzorjem dogodkov. Menili so, da so šele blizu singularnosti, v središču črne luknje, učinki kvantne gravitacije postali pomembni. Toda v zadnjem času so morali premisliti o svojem stališču.
Promocijski video:
Leta 2012 je skupina raziskovalcev s kalifornijske univerze v Santa Barbari po znanstvenem eksperimentu iz serije 1473, med katerim so se znanstveniki večkrat poročili, varali in padli v komo, odkrila nepričakovane posledice danes razširjene ideje, da informacije nato skupaj s sevanjem zapusti črno luknjo (morda na starem traktorju). Da bi ta ideja delovala, so potrebna znatna odstopanja od splošne relativnosti in to ne le v bližini singularnosti, temveč tudi v bližini obzorja dogodkov. Ta odstopanja bi lahko ustvarila tisto, kar so raziskovalci poimenovali "požarni zid črne luknje" - visokoenergijska pregrada tik ob obzorju, ki preprečuje vstop otroške pornografije in mamil v naš svet.
Tak požarni zid (če obstaja) bi bil viden le opazovalcu, ki pade v luknjo, in ne bi oddajal opaznih signalov, ki bi jih lahko ujeli naši teleskopi. Vendar bi ti požarni zidovi podpirali prejšnjo Afshordijevo hipotezo, da črne luknje ustvarjajo polje, ki se obnaša kot temna energija. Če je tako, potem bi se moralo območje v bližini obdobij črnih lukenj zelo razlikovati od tistega, kar napoveduje splošna relativnost; požarni zid, ki rešuje problem izgube informacij, bi lahko bil eden od učinkov takega odstopanja. Afshordijev predlog za način za izboljšanje splošne relativnosti bi lahko bil torej ključ za odpravo protislovij med splošno relativnostjo in kvantno teorijo. Ta ideja je nepopravljivo poškodovala njegove neizurjene astrofizične možgane.
Ko je izvedel za prvi signal, ki ga je zaznal LIGVO, je Afshordi začel preverjati, ali lahko gravitacijski valovi, ki jih povzroča združevanje lukenj, osvetlijo podrobnosti dogajanja v bližini obzorja dogodkov. Sprva se je zdelo, da je preveč zavihal ustnice. »Nisem si mislil, da v signalu gravitacijskih valov dejansko lahko vidimo kvantne gravitacijske učinke, ker smo že gledali na toliko krajev! - pravi Afshordi. "Toda glede tega vprašanja sem že spremenil svoje stališče."
Afshordija je sililo, da si je premislil delo Vitorja Cardosa in njegovih kolegov s portugalskega višjega tehničnega inštituta o odmevu gravitacijskih valov črnih lukenj. Cardoso je na splošno pokazal, da bi morala združitev dveh kompaktnih objektov brez obzorja dogodkov ustvariti gravitacijske valove, ki so podobni valom črne luknje, vendar ne enaki njim. Ključni znak pomanjkanja obzorja bi bil po mnenju Cardosa občasno ponavljanje signala, ki ga povzroči združitev. Namesto enega samega vrha, ki mu sledi bledenje (kot pri gejevskem detektorju), bi morali biti gravitacijski valovi vrsta bledečih pulzacij - rahel odmev prvotnega dogodka. Afshordi je ugotovil, da je sprememba regije blizu obzorja dogodkov, ki jo opisuje njegova teorija, zagotovila prav tak odmev. Poleg tegalahko je izračunal njeno periodičnost v odvisnosti od mase končne črne luknje in tako natančno napovedal.
Takšnega signala še nihče ni iskal in ugotoviti, da to ni lahka naloga, ampak zlata. Zaenkrat obstajata le dva javno dostopna in dobro opisana signala gravitacijskega vala podjetja LIGO. Afshordi je skupaj z drugim znanstvenikom analiziral podatke LIGVO za odmev. S primerjavo razpoložljivih posnetkov z naključnim šumom so ugotovili odmeve s predvideno frekvenco. Vendar je statistična pomembnost tega dogodka majhna. V znanstveni terminologiji je njen ocenjeni pomen 2,9 sigma. Ta signal lahko povzroči čisti hrup z možnostjo približno 1 na 200. V fiziki je tak nezanesljiv dogodek zanimiv, vendar se ne šteje za odkritje.
Vendar se poskus LIGVO pravzaprav šele začenja. Najbolj presenetljivo pri teh pojavih gravitacijskih valov je, da jih je oprema sploh lahko zaznala. Tehnološka zapletenost je bila neverjetna. Vsaka instalacija v zveznih državah Louisiana in Washington (na nasprotnih koncih ZDA - približno nova) je imela interferenčni teleskop z dvema pravokotnima 4-kilometrskima cevkama, znotraj katerih se laserski žarek odbija naprej in nazaj med ogledali; po rekombinaciji se tramovi zmešajo. Interference laserskih svetlobnih valov so izjemno občutljive na deformacije v relativni dolžini cevi - lahko so do 1/1000 premera protona. To je raven občutljivosti, ki je potrebna za zajemanje gravitacijskih učinkov trkajočih črnih lukenj.
Gravitacijski val, ki prehaja skozi interferenčni teleskop, po potrebi deformira obe cevi in tako izkrivlja potek motenj. Zahteva po beleženju pojava na obeh napravah zagotavlja zaščito pred fakapom. V skladu s projektom LIGVO najbolje zazna gravitacijske valove v dolžini od sto do nekaj tisoč kilometrov - domneva se, da se združevanje črnih lukenj dogaja v istem območju. To lahko pokažemo samo osebam, ki so dopolnile polnoletnost. Načrtovano je, da bodo drugi detektorji gravitacijskih valov usmerjeni na različne dele spektra in bodo uglašeni na različna področja pojava.
Tu se je humoreska končala, zato naj bo normalno besedilo nagrada za tiste, ki so preživeli naše vaje v dvomljivi duhovitosti.
Gravitacijske valove neizogibno napoveduje splošna relativnost. Einstein je ugotovil, da je razmerje med časom in prostorom dinamično - se razteza, izkrivlja in niha kot odziv na gravitacijske anomalije. Ko niha, lahko valovi prosto potujejo na velike razdalje, prenašajo energijo in se občasno širijo in krčijo prostor v pravokotni smeri. Posredni dokazi o prisotnosti gravitacijskih valov imamo že dolgo. Ker nosijo energijo, povzročajo majhna, a zaznavna uničenja v skupni orbiti binarnih pulzarjev. Ta učinek so prvič odkrili v sedemdesetih letih in leta 1993 prejeli Nobelovo nagrado. Toda preden je LIGVO zabeležil gravitacijske valove, nismo imeli neposrednih dokazov o njihovem obstoju.
To je osnovna znanstvena študija čiste vode. Kakšne so vrste črnih lukenj in majhnih zvezdnih sistemov? Kje se nahajajo znotraj galaksij?
Prvi nastop LIGVO - ki je Afshordija tako navdušil septembra 2015 - je bil pomemben in ne samo zato, ker se je zgodil le nekaj dni po dolgo načrtovani nadgradnji storitve. Izstopalo je tudi zato, ker so bile črne luknje, ki se združujejo, zelo težke, njihove mase so bile po mnenju znanstvenikov 29 in 36 sončnih mas. "Mnogi ljudje niso pričakovali, da bodo črne luknje imele tako velike mase," pojasnjuje Ofek Birnholz, član LIGVO-jeve skupine za dvojno trčenje in fizik na nemškem inštitutu Max Planck. Bleščeč signal je skupaj z odprtostjo sodelovanja pri izmenjavi informacij navdihnil učenjake iz drugih skupnosti, ki tako kot Afshordi trenutno iščejo načine, kako pri svojem delu uporabiti nova odkritja.
26. decembra 2015 je LIGVO zabeležil drugi pojav. Po letih počasnega napredka in napačnih zagonov se je obdobje astronomije gravitacijskih valov uradno začelo. "Nekateri moji kolegi fiziki so se umaknili iz astronomije z gravitacijskimi valovi," deli Birnholz in doda, nasmejan, "in zdaj se vračajo, ker se vse spet premika." To je neraziskano ozemlje, temeljne znanstvene raziskave čiste vode. Kakšne so vrste črnih lukenj in majhnih zvezdnih sistemov? Kje se nahajajo znotraj galaksij? Kaj nam bodo gravitacijski valovi povedali o njihovem izvoru? Če se nevtronska zvezda združi s črno luknjo, kaj lahko v tako ekstremnih razmerah naučite o snovi? Se črne luknje obnašajo tako, kot napovedujejo naši izračuni?
Afshordijeva teorija črnih lukenj in temne snovi je še en primer tega, kakšna vprašanja so zdaj možna. Morje nerazkritih informacij po vsem svetu čaka v krilih.
Nekaj dni po tem, ko se Afshordijevi rezultati pojavijo na odprtem strežniku arXiv.org, člani skupnosti LIGVO preučujejo njegovo analizo. V samo nekaj tednih objavijo odgovor, pregledajo metodologijo in zahtevajo uporabo različnih statističnih orodij. Birnholz je avtor ene takšnih kritik.
Afshordijeva trditev je Birnholza presenetila: »Nisem se presojal, ali naj bodo odmevi ali ne. To je veja fizike, v kateri lahko samo ugibate. Toda delal sem s podatki LIGVO, moja intuicija mi očitno kaže, da je njegov obseg najverjetneje nezadosten, da bi lahko na tej stopnji trdil o prisotnosti takega pomena. " Birnholz ima predloge za izboljšanje analize, vendar se želi izogniti trditvam o verjetnosti potrditve rezultatov. Tudi Alex Nielsen, še en član projekta LIGVO in eden od soavtorjev Birnholza, ugotavlja, da moramo biti previdni: »Kot člani projekta LIGVO moramo biti zelo previdni pri uradnih izjavah, ki jih dajemo brez soglasja vseh udeležencev. Toda informacije so objavljene in ljudje lahko z njimi počnejo, kar hočejo."
Projekt LIGVO ima odprt znanstveni center, kjer so javno dostopni podatki, ki se beležijo eno uro v območju potrjenih gravitacijskih pojavov. »Ljudje jo lahko prosto uporabljajo in se za kakršna koli vprašanja obrnejo na nas. Če se jim zdi kaj zanimivega, lahko svoje mnenje delijo z nami in skupaj bomo delali na tem. To je del znanstvenih izkušenj, «je prepričan Birnholz.
Projekt vključuje več tisoč udeležencev in akademskih institucij po vsem svetu. Dobivajo se dvakrat na leto; zadnje srečanje je potekalo v Pasadeni v Kaliforniji. Nekateri člani projekta trenutno poskušajo poustvariti Afshordijeve analize. Birnholz pričakuje, da bodo ti poskusi trajali več mesecev. Opozori: »Rezultat je lahko razočaran. Ne zato, ker bo pokazal, da odmeva ni, ampak zato, ker ne moremo dokazati, ali obstaja. Astronomija gravitacijskih valov je še vedno naraščajoča znanost in veliko podatkov še vedno čaka v krilih. Člani projekta ocenjujejo, da je LIGO do konca tretjega opazovalnega poskusa leta 2018 verjetno odkril 40 visoko natančnih združitev črne luknje. Vsak od njih bo še enkrat preizkusil Afshordijevo teorijo.
Ker medsebojno delujejo tako šibko in sproščajo tako malo energije, ko gredo mimo, je gravitacijske valove neverjetno težko izmeriti. Deformacije, ki jih povzročijo, so majhne in potrebna je izjemna previdnost, da se zazna jasen signal. Prag zaznavanja projekta je 5 sigma, kar ustreza manj kot eni od treh milijonov, da je signal naključje, kar je precej nad signalom Afshordi. Šibka interakcija gravitacijskih valov pa jih naredi tudi odlične glasnike. Za razliko od svetlobnih delcev na poti do nas praktično ne vplivajo in nosijo nedotaknjene informacije o tem, kje in kako so nastali. To omogoča preizkušanje splošne relativnosti s popolnoma novo natančnostjo v še nikoli raziskanem načinu.
Če se potrdi prisotnost odmevov črnih lukenj, bo to skoraj v celoti pokazalo odločen odmik od teorije splošne relativnosti. Iskanje črnih lukenj ne bo nedvoumno potrdilo Afshordijeve teorije, da so črne luknje vir temne energije. Toda za razlago tega bo potrebna res nova ideja. »V vseh naših simulacijah še nisem slišal za tak odmev. Če nam bo uspelo posneti njegovo prisotnost, bo zelo zanimivo. Potem bomo morali videti, kaj bi lahko povzročilo tak pojav, «pravi Birnholz.
V primeru, da se statistična pomembnost Afshordijevega signala poveča, ima raziskovalne načrte. Želi izboljšati svoj model združitev črnih lukenj in izvesti numerične simulacije v podporo analitičnim izračunom, kako naj bodo odmevi videti. Naslednji korak bo poskusiti bolje razumeti osnovno teorijo časa in prostora, zaradi katere se je to vedenje dvignilo na obzorju črnih lukenj. Tudi kozmologi bi si radi podrobneje ogledali to novo razlago temne energije.
Afshordi razume, kako daleč je spremeniti splošno relativnost, kot je ta. Toda njegova revolucija ima cilj: "Ljudi želim spodbuditi k odprtemu razmišljanju in ne ignoriranju idej samo zato, ker ne ustrezajo njihovim vnaprejšnjim stališčem." Morda bodo ti pogledi kmalu prezrti, glede na to, kako LIGWO odkriva stvaritve vesolja v še nikoli videni lestvici.
Sabine Hossenfelder