Prieš milijardą metų dvi šokančios juodosios skylės padarė paskutinę revoliuciją, susiliejo ir per kelias sekundes išleido didžiulį energijos kiekį. Kaip ir cunamis, įvykęs baseine, kai šoki su bomba, taip ir šis susijungimas sukėlė gravitacines bangas erdvės – laiko kontinuume. Greitai pirmyn į Žemės planetą 2015 m., Nes 2007 m. Mes vis tiek negalėsime ten patekti. Po epinės kelionės gravitacinės bangos iš juodųjų skylių susijungimo keliauja per mūsų Saulės sistemą. Rugsėjo 11–14 d. Rytą jie šiek tiek atsvėrė dviejų detektorių antenas Luizianos ir Vašingtono valstijos Lazerinės interferometrinės gravitacijos bangos observatorijoje (LIGO). Šviesos bangų pobūdis keičiasi ypatingai, tiksliai taip, kaip seniai tikėtasi. Kompiuteris pypteli nix.
Niaeshas Afshordis iš Elko universiteto ir Lumberjackso iš Vaterlo, Kanados, pirmą kartą išgirdo apie LIGWO orientyro atidarymą per pietus valgykloje. Tai buvo 2015 m. Pabaiga, ir dar buvo likusios kelios savaitės, kol rezultatai buvo oficialiai paskelbti. Tačiau gandai jau sklido, o Afshordi kolega, pamatęs nepublikuotą straipsnį, negalėjo pakęsti termorektalinės kriptanalizės ir sudegino informaciją. Astrofizikas ir mergelė Afshordi, be kita ko, dirbantis Vaterlo perimetro institute, iškart suprato šios naujienos svarbą - ir visai fizinei bendruomenei, ir savo nestandartinei visatos struktūros teorijai.
„Tam tikru metu aš specialiai pagavau Lariną. Man atrodė, kad visos kosmologijos problemos jau buvo atkosėtos šimtą kartų “, - prisimena Afshordi. - Bet tada aš vieną kartą perdėjau tai klevų sirupu ir priėjau išvadą, kad tamsiąją energiją gamina juodosios skylės. Atokių žvaigždžių sprogimų tyrimai ir kai kurie kiti įrodymai rodo, kad mūsų visata plečiasi vis sparčiau, tačiau niekas nežino, kodėl. Šiam efektui nepakanka vien tik medžiagos, todėl kosmologai dėl išplėtimo kaltina ypatingą energijos rūšį, vadinamą „tamsiąja energija“[…]. Jo kilmė ir pobūdis buvo ir tebėra paslaptis.
2009 m., Kuris yra gana arti 2007 m., Bet vis dar nepakankamas, Afshordi kartu su kolegomis Chanda Prescod-Weinstein ir Michael Balou pateikė teoriją, kad juodosios skylės sukuria didžiulį lauką, kuris elgiasi kaip tamsi energija. Šis laukas kyla iš juodųjų skylių ir išplinta visatoje, sukeldamas sumaištį, chaosą ir sunaikinimą. Toks intriguojantis tamsiosios energijos atsiradimo paaiškinimas ir, remiantis Afshordi skaičiavimais, pagal turimus mokslininkų vertinimus egzistuojančių juodųjų skylių skaičius, remiantis stebėjimais, turėtų sukurti tik reikiamą energijos kiekį.
Tačiau Afshordi idėja panaikina viską, ką mokslininkai žinojo apie juodąsias skyles. Bendrojoje Alberto Einšteino reliatyvumo teorijoje juodosios skylės - sienos, kurį peržengus nėra kelio atgal, įvykio horizontas nėra toks svarbus (tai taikoma ir Rusijos Federacijos sienai). Ją perėjus nieko nevyksta, grįžti tiesiog neįmanoma. Tačiau jei Afshordi teisus, tai labiau panašu į Maskvos žiedinį kelią - už įvykio horizonto esančios juodosios skylės turinio nebėra. Būtent: Plancko ilgio atstumu nuo vietos, kur praeis horizontas, auga kvantiniai gravitaciniai efektai, o erdvės-laiko svyravimai tampa chaotiški. (Plancko ilgis yra mikroskopinė vertė, apie 10–35 metrai arba 10–20 protonų skersmens.) Tai yra visiškai pertrauka su reliatyvumo teorija.
Išgirdęs apie LIGVO tyrimų rezultatus, Afshordi suprato, kad jo idėją, iki šiol visiškai pagrįstą senovės raštais ir močiutės istorijomis, dabar galima patikrinti stebint. Jei įvykių horizontai nėra tokie, kokius mes galvojame, tai juodųjų skylių susiliejimo sukeltos gravitacijos bangos taip pat turi būti skirtingos. Įvykiuose, kuriuos pastebi LIGVO detektoriai, turėtų būti aidas - vos pastebimas, bet aiškus signalas, rodantis piktybišką standartinių fizikos įstatymų pažeidimą. Toks atradimas būtų proveržis ilgai ieškant kvantinės gravitacijos teorijos ir neišvengiamai pritrauktų atitinkamų fizinės bendruomenės reguliavimo institucijų dėmesį. "Jei tai pasitvirtins, man tikriausiai reikia nusipirkti bilietą į Magadaną", - nervingai juokiasi Afshordi.
Kvantinė gravitacija yra trūkstama grandis, jungianti bendrą reliatyvumą su standartinio dalelių fizikos modelio kvantinio lauko teorijomis. Šios dvi teorijos, sujungtos viena su kita, yra panašios į „Mentos“, kai jos derinamos su kola. Juodosios skylės yra vienas iš labiausiai ištirtų tokių prieštaravimų pavyzdžių. Jei kvantinę teoriją taikysime netoli įvykio horizonto, paaiškės, kad juodoji skylė skleidžia daleles ir lėtai garuoja. Šios dalelės turi masę, tačiau, kaip 1970-aisiais parodė Stephenas Hawkingas, jose negali būti informacijos apie tai, kas sudarė juodąją skylę. Taigi, jei juodoji skylė visiškai išgaruos, bus sunaikinta visa liūdna McConaughey personažo istorija. Tačiau kvantinėje teorijoje „Tarpžvaigždžių“filmas yra 100% patikimas. Taigi kažkas Holivude netinka.
Pasak daugumos fizikų, esmė ta, kad atliekant skaičiavimus neatsižvelgiama į erdvės ir laiko kvantinį elgesį, nes šio elgesio teorija - kvantinė gravitacija - dar nebuvo atrasta. Dešimtmečius fizikai manė, kad kvantiniai gravitacijos efektai, reikalingi juodosios skylės problemai išspręsti, buvo paslėpti už įvykių horizonto. Jie manė, kad tik netoli singuliarumo, juodosios skylės centre, kvantinės traukos poveikis tapo reikšmingas. Tačiau pastaruoju metu jiems teko permąstyti savo poziciją.
Reklaminis vaizdo įrašas:
2012 m. Kalifornijos universiteto (Santa Barbara) mokslininkų grupė po 1473 m. Serijos mokslinio eksperimento, kurio metu mokslininkai kelis kartus vedė, apgavo ir pateko į komą, atrado netikėtą dabar plačiai paplitusios idėjos, kad informacija, pasekmę. tada jis palieka juodąją skylę kartu su radiacija (galbūt ant seno traktoriaus). Kad ši idėja veiktų, reikia reikšmingų nukrypimų nuo bendro reliatyvumo ir ne tik šalia singuliarumo, bet ir netoli įvykio horizonto. Šie nukrypimai gali sukurti tai, ką tyrėjai pavadino „juodosios skylės užkarda“- didelės energijos barjeru prie pat horizonto, kuris blokuoja vaikų pornografijos ir narkotikų patekimą į mūsų pasaulį.
Tokia užkarda (jei ji yra) būtų matoma tik į skylę įkritusiam stebėtojui ir neskleistų pastebimų signalų, kuriuos mūsų teleskopai galėtų sugauti. Tačiau šios užkardos patvirtintų ankstesnę Afshordi hipotezę, kad juodosios skylės sukuria lauką, kuris elgiasi kaip tamsi energija. Jei taip, tada teritorija šalia juodųjų skylių įvykių horizonto turėtų labai skirtis nuo tos, kurią prognozuoja bendrasis reliatyvumas; užkarda, sprendžianti informacijos praradimo problemą, gali būti vienas iš tokio nukrypimo padarinių. Taigi Afshordi pasiūlymas, kaip pagerinti bendrąjį reliatyvumą, galėtų būti raktas pašalinant prieštaravimus tarp bendrojo reliatyvumo ir kvantinės teorijos. Ši idėja negrįžtamai pakenkė jo netreniruotoms astrofizinėms smegenims.
Sužinojęs apie pirmąjį LIGVO aptiktą signalą, Afshordi ėmė tikrinti, ar susiliejusių skylių sukeltos gravitacinės bangos gali išaiškinti detales, kas vyksta netoli įvykio horizonto. Iš pradžių atrodė, kad jis per daug išpūtė lūpą. „Nemaniau, kad gravitacinių bangų signale iš tikrųjų galime pamatyti kvantinius gravitacijos efektus, nes jau buvome apžiūrėję labai daug vietų! - sako Afshordi. - Bet aš jau pakeitiau savo poziciją šiuo klausimu.
Afshordi persigalvoti privertė Vitoro Cardoso ir jo kolegų iš Portugalijos aukštojo technikos instituto darbas dėl juodųjų skylių gravitacinių bangų aido. Cardoso apskritai parodė, kad susijungus dviem kompaktiškiems objektams, neturintiems įvykių horizonto, turėtų atsirasti gravitacinės bangos, panašios į juodosios skylės bangas, bet ne tapačios joms. Pagrindinis horizonto trūkumo ženklas, pasak Cardoso, būtų periodinis susijungimo sukelto signalo pasikartojimas. Vietoj vienos smailės, po kurios išnyks (kaip gėjų detektoriuje), gravitacinės bangos turėtų būti išnykstančių pulsacijų serija - silpnas pirminio įvykio atgarsis. Afshordi nustatė, kad jo įvykio horizonte esančio regiono modifikacija, aprašyta jo teorijoje, numatė būtent tokį atgarsį. Be to,jis galėjo apskaičiuoti jo periodiškumą kaip paskutinės juodosios skylės masės funkciją ir taip tiksliai prognozuoti.
Tokio signalo dar niekas neieškojo, o jo radimas nėra lengva, bet auksinė užduotis. Kol kas yra tik du viešai prieinami ir gerai aprašyti gravitacinių bangų signalai iš LIGO. Kartu su kitu mokslininku Afshordi išanalizavo LIGVO duomenis dėl aidų. Palyginę turimus įrašus su atsitiktiniu triukšmu, jie rado atgarsių su numatomu periodiškumu. Tačiau statistinis šio įvykio reikšmingumas yra nedidelis. Mokslinėje terminijoje jo reikšmė yra 2,9 sigma. Šį signalą gali sukelti grynas triukšmas, kurio tikimybė gali būti maždaug 1 iš 200. Fizikoje toks nepatikimas įvykis domina, bet nelaikomas atradimu.
Tačiau LIGVO eksperimentas iš tikrųjų tik prasideda. Šiuose gravitacinių bangų reiškiniuose ryškiausia yra tai, kad įranga netgi sugebėjo juos aptikti. Technologinis sudėtingumas buvo neįtikėtinas. Kiekviena instaliacija Luizianos ir Vašingtono valstijose (priešinguose JAV galuose - apytiksliai nauja) turėjo interferencinį teleskopą su dviem statmenais 4 kilometrų vamzdeliais, kurių viduje lazerio spindulys atsispindi pirmyn ir atgal tarp veidrodžių; po rekombinacijos sijos sumaišomos. Lazerio šviesos bangų trukdžiai yra ypač jautrūs santykinio vamzdelių ilgio deformacijoms - jos gali būti iki 1/1000 protono skersmens. Tai yra jautrumo lygis, reikalingas užfiksuoti susidūrusių juodųjų skylių gravitacinį poveikį.
Gravitacinė banga, praeinanti per trukdžių teleskopą, deformuoja abu vamzdžius, kaip nori, taip iškreipdama trukdžių eigą. Reikalavimas užfiksuoti reiškinį abiejuose įrenginiuose apsaugo nuo fakapo. Pagal projektą LIGVO geriausiai aptinka gravitacines bangas, kurių ilgis yra nuo šimtų iki kelių tūkstančių kilometrų - manoma, kad juodųjų skylių susiliejimas vyksta tame pačiame diapazone. Tai galime parodyti tik pilnametystės sulaukusiems asmenims. Planuojama, kad kiti gravitacinių bangų detektoriai bus nukreipti į skirtingas spektro dalis, pritaikant juos skirtingiems reiškinio regionams.
Čia baigėsi humoreskas, todėl normalus tekstas tebūnie atlygis tiems, kurie išgyveno mūsų pratimus abejotinais protais.
Gravitacines bangas neišvengiamai prognozuoja bendrasis reliatyvumas. Einšteinas pripažino, kad laiko ir erdvės santykis yra dinamiškas - jis tęsiasi, iškreipia ir svyruoja, reaguodamas į gravitacijos anomalijas. Kai jis svyruoja, bangos gali laisvai keliauti didelius atstumus, nešdamos energiją ir periodiškai besiplečiančios bei susitraukiančios erdvę stačiakampėmis kryptimis. Netiesioginius gravitacinių bangų buvimo įrodymus turime ilgą laiką. Dėl to, kad jie neša energiją, jie sukelia nedidelį, bet pastebimą sunaikinimą dvinarių pulsų bendrojoje orbitoje. Šis efektas pirmą kartą buvo atrastas aštuntajame dešimtmetyje ir 1993 m. Jam buvo suteikta Nobelio premija. Tačiau kol LIGWO neaptiko gravitacinių bangų, neturėjome tiesioginių jų egzistavimo įrodymų.
Tai yra pagrindinis mokslinis gryno vandens tyrimas. Kokie yra juodųjų skylių ir mažų žvaigždžių sistemų tipai? Kur jie yra galaktikų viduje?
Pirmasis „LIGVO“pasirodymas, kuris 2015 m. Rugsėjį taip jaudino „Afshordi“, buvo reikšmingas ir ne tik todėl, kad tai įvyko praėjus vos porai dienų po ilgai planuoto paslaugų atnaujinimo. Jis taip pat išsiskyrė tuo, kad susijungusios juodosios skylės buvo labai sunkios, jų masė, pasak mokslininkų, buvo 29 ir 36 saulės masės. „Daugelis žmonių nesitikėjo, kad juodosios skylės turės tokias dideles mases“, - aiškina Ofekas Birnholzas, LIGVO mažų dvigubų susidūrimų grupės narys ir fizikas iš Vokietijos Maxo Plancko instituto. Akinantis signalas kartu su bendradarbiavimo atvirumu keičiantis informacija įkvėpė kitų bendruomenių mokslininkus, kurie, kaip ir Afshordi, šiuo metu ieško būdų, kaip panaudoti naujus atradimus savo darbe.
2015 m. Gruodžio 26 d. LIGVO užfiksavo antrąjį reiškinį. Po daugelio metų lėtos pažangos ir klaidingų startų oficialiai prasidėjo gravitacinių bangų astronomijos era. „Kai kurie mano kolegos fizikai pasitraukė iš gravitacinių bangų astronomijos“, - dalijasi Birnholzas ir priduria šypsodamasis, „o dabar jie grįžta, nes viskas vėl maišosi“. Tai neištirta teritorija, pagrindiniai moksliniai gryno vandens tyrimai. Kokie yra juodųjų skylių ir mažų žvaigždžių sistemų tipai? Kur jie yra galaktikų viduje? Ką gravitacinės bangos mums pasakys apie jų kilmę? Jei neutronų žvaigždė susilieja su juodąja skylė, ką galite sužinoti apie materiją tokiomis ekstremaliomis sąlygomis? Ar juodosios skylės elgiasi taip, kaip numato mūsų skaičiavimai?
Afshordi juodųjų skylių ir tamsiosios materijos teorija yra dar vienas pavyzdys to, kokio tipo klausimai dabar yra įmanomi. Sparnuose laukia neatskleistos informacijos jūra visame pasaulyje.
Praėjus kelioms dienoms po to, kai Afshordi rezultatai pasirodė atvirame serveryje arXiv.org, LIGVO bendruomenės nariai tiria jo analizę. Vos per porą savaičių jie paskelbia atsakymą, peržiūri metodiką ir prašo naudoti įvairias statistikos priemones. Birnholzas yra vienos tokios apžvalgos autorius.
Afshordi teiginys nustebino Birnholzą: „Aš neturėjau sprendimo, ar turi būti atgarsių. Tai yra fizikos šaka, kurioje galite tik spėlioti. Bet aš dirbau su LIGVO duomenimis, mano intuicija man aiškiai parodo, kad greičiausiai jo taikymo sritis yra nepakankama, kad būtų galima teigti, jog šiame etape yra tokia reikšminga. Birnholzas turi pasiūlymų, kaip pagerinti analizę, tačiau nori vengti teiginių apie rezultatų patvirtinimo tikimybę. Alexas Nielsenas, kitas LIGVO projekto narys ir vienas iš „Birnholz“bendraautorių, taip pat pažymi, kad reikia būti atsargiems: „Būdami LIGVO projekto nariai, turime būti labai atsargūs dėl oficialių pareiškimų, kurie daromi be visų dalyvių sutikimo. Tačiau informacija yra paskelbta ir žmonės gali su ja daryti ką tik nori “.
LIGVO projekte yra atviras mokslo centras, kuriame viešai prieinama informacija, valandą fiksuojama patvirtintų gravitacijos reiškinių diapazone. „Žmonės gali laisvai ja naudotis ir kreiptis į mus, jei turite klausimų. Jei jie ras ką nors įdomaus, jie galės pasidalinti savo nuomone su mumis, o mes kartu tai spręsime. Tai yra mokslinės patirties dalis “, - įsitikinęs Birnholzas.
Projekte dalyvauja keli tūkstančiai dalyvių ir akademinių institucijų visame pasaulyje. Jie susitinka du kartus per metus; paskutinis susitikimas įvyko Pasadenoje, Kalifornijoje. Kai kurie projekto nariai šiuo metu bando atkurti Afshordi analizes. Birnholzas tikisi, kad šie bandymai užtruks keletą mėnesių. Jis perspėja: „Rezultatas gali nuvilti. Ne todėl, kad tai parodys, kad nėra aido, bet todėl, kad negalime įrodyti, ar jis egzistuoja “. Gravitacinių bangų astronomija vis dar yra besiformuojantis mokslas, o daugybė duomenų vis dar laukia sparnais. Projekto nariai skaičiuoja, kad iki trečiojo stebėjimo važiavimo 2018 m. LIGO greičiausiai aptiko 40 labai tikslių juodųjų skylių susijungimų. Kiekvienas iš jų dar kartą patikrins Afshordi teoriją.
Kadangi jos taip silpnai sąveikauja ir praeina pro šalį tiek mažai energijos, gravitacijos bangas yra nepaprastai sunku išmatuoti. Jų sukeliama deformacija yra menka, todėl reikia labai atsargiai nustatyti aiškų signalą. Projekto aptikimo riba yra 5 sigma, o tai reiškia mažiau nei vieną galimybę iš trijų milijonų, kad signalas buvo sutapimas, gerokai aukščiau Afshordi signalo. Tačiau silpna gravitacinių bangų sąveika daro juos ir puikiais pasiuntiniais. Skirtingai nei šviesos dalelės, jos praktiškai neturi įtakos eidamos pas mus ir turi nepaliestą informaciją apie tai, kur ir kaip jos buvo sukurtos. Tai leidžia išbandyti visiškai naujo tikslumo bendrą reliatyvumą dar niekada netyrinėtu režimu.
Jei pasitvirtins juodųjų skylių atgarsių buvimas, tai beveik visiškai parodys ryžtingą nukrypimą nuo bendrosios reliatyvumo teorijos. Juodųjų skylių radimas vienareikšmiškai nepatvirtins Afshordi teorijos, kad juodosios skylės yra tamsiosios energijos šaltinis. Tačiau tai paaiškinti reikės tikrai naujos idėjos. „Visose mūsų simuliacijose aš dar negirdėjau apie tokius aidus. Jei mums pavyks užfiksuoti jo buvimą, bus labai įdomu. Tada mums reikės pamatyti, kas galėjo sukelti tokį reiškinį “, - sako Birnholzas.
Jei statistinis Afshordi signalo reikšmingumas padidės, jis turi tyrimų planus. Jis nori patobulinti savo juodųjų skylių susijungimo modelį ir atlikti skaitinius modeliavimus, kad paremtų analitinius skaičiavimus, kaip turėtų atrodyti aidai. Kitas žingsnis bus bandymas geriau suprasti pagrindinę laiko ir erdvės teoriją, dėl kurios šis elgesys galėjo kilti juodųjų skylių horizonte. Taip pat kosmologai norėtų daug atidžiau pažvelgti į šį naują tamsiosios energijos paaiškinimą.
Afshordi supranta, kaip toli gražu taip pakeisti bendrą reliatyvumą. Tačiau jo revoliucija turi tikslą: „Noriu paskatinti žmones mąstyti atvirai ir neignoruoti idėjų vien dėl to, kad jos neatitinka jų išankstinės nuomonės“. Galbūt šios nuomonės netrukus bus ignoruojamos, atsižvelgiant į tai, kaip LIGWO atranda visatos kūrinius dar nematytu mastu.
Sabine Hossenfelder