Dekadę po historycznym momencie, w którym naukowcy po raz pierwszy bezpośrednio wykryli fale grawitacyjne, potwierdzając tym samym stuletnią prognozę Alberta Einsteina, społeczność astrofizyków świętuje kolejne niezwykłe osiągnięcie. Analizując sygnał pochodzący ze zderzenia dwóch masywnych czarnych dziur, międzynarodowy zespół badaczy, w tym eksperci z Northwestern University, dostarczył najmocniejszego dotychczas dowodu na twierdzenie o polu powierzchni czarnych dziur, sformułowane w 1971 roku przez legendarnego Stephena Hawkinga. Ten przełom nie tylko upamiętnia dziesiątą rocznicę nowej ery w astronomii, ale także pogłębia nasze zrozumienie jednych z najbardziej zagadkowych obiektów we wszechświecie.

Sygnał, zarejestrowany pod oznaczeniem GW250114, jest uważany za najczystszy i najwyraźniejszy sygnał połączenia czarnych dziur, jaki kiedykolwiek zarejestrowała sieć detektorów LVK, która obejmuje amerykańskie LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), europejskie Virgo i japońskie KAGRA. To właśnie wyjątkowa klarowność tego sygnału pozwoliła naukowcom z niezwykłą precyzją przetestować postulat Hawkinga.

Potwierdzenie dziedzictwa Hawkinga

Twierdzenie Stephena Hawkinga o polu powierzchni czarnych dziur jest w swojej istocie zadziwiająco proste, ale ma głębokie implikacje. Głosi ono, że całkowite pole powierzchni horyzontów zdarzeń czarnych dziur w układzie zamkniętym nigdy nie może się zmniejszyć. Innymi słowy, gdy dwie czarne dziury zderzają się i łączą, pole powierzchni nowo powstałej, większej czarnej dziury musi być równe lub większe od sumy pól powierzchni dwóch pierwotnych czarnych dziur. Ta prawidłowość niezwykle przypomina drugą zasadę termodynamiki, która mówi, że całkowita entropia (miara nieporządku) w izolowanym układzie zawsze rośnie lub pozostaje taka sama.

To właśnie ta analogia skłoniła Hawkinga i innych fizyków do rozmyślań nad głębokim związkiem między grawitacją, termodynamiką i mechaniką kwantową. Przez długi czas uważano, że tego twierdzenia nie da się zweryfikować eksperymentalnie. Jednak wraz z nadejściem astronomii fal grawitacyjnych to, co kiedyś było domeną fizyki teoretycznej, stało się teraz mierzalną rzeczywistością.

Podczas łączenia się czarnych dziur rozgrywa się złożony kosmiczny dramat. Masy się sumują, co naturalnie prowadzi do zwiększenia pola powierzchni. Jednocześnie układ traci ogromną ilość energii w postaci fal grawitacyjnych, a nowo powstała czarna dziura może zacząć obracać się znacznie szybciej, co zgodnie z równaniami ogólnej teorii względności może spowodować zmniejszenie jej pola powierzchni. Hawking matematycznie udowodnił, że pomimo tych przeciwstawnych efektów, ostatecznym wynikiem zawsze musi być wzrost całkowitego pola powierzchni. Detekcja GW250114 pozwoliła naukowcom po raz pierwszy "usłyszeć" i zmierzyć ten proces, dostarczając empirycznego, jednoznacznego potwierdzenia twierdzenia Hawkinga.

Analiza danych wykazała, że początkowe czarne dziury miały całkowite pole powierzchni horyzontu zdarzeń wynoszące około 240 000 kilometrów kwadratowych, co odpowiada mniej więcej powierzchni amerykańskiego stanu Oregon. Po ich kosmicznym tańcu i ostatecznym połączeniu, nowo powstała czarna dziura miała imponujące pole powierzchni 400 000 kilometrów kwadratowych, co odpowiada powierzchni Kalifornii. Wzrost był wyraźny i mierzalny, w doskonałej zgodzie z przewidywaniami.

Dekada, która zmieniła astronomię

Przed 14 września 2015 roku cała nasza wiedza o wszechświecie opierała się na obserwacji promieniowania elektromagnetycznego – od fal radiowych po promienie gamma. Tego historycznego dnia detektory LIGO zarejestrowały pierwszy sygnał, fale w samej tkance czasoprzestrzeni, które podróżowały 1,3 miliarda lat, aby dotrzeć do Ziemi. Sygnał niósł ze sobą historię zderzenia dwóch czarnych dziur, wydarzenia, które do tamtej pory było jedynie teoretyczną możliwością. To był początek rewolucji.

Od tego pierwszego odkrycia, współpraca LVK zarejestrowała setki zdarzeń, dostarczając około 300 pomiarów mas obiektów zwartych. Każda nowa obserwacja przynosiła nowe spostrzeżenia:

• Pierwsze połączenie gwiazd neutronowych: Wydarzenie, które w przeciwieństwie do łączenia się czarnych dziur, było widoczne również w spektrum elektromagnetycznym, otwierając okno na astronomię wielozakresową (multi-messenger astronomy) i potwierdzając, że takie zderzenia są źródłem wielu ciężkich pierwiastków we wszechświecie, takich jak złoto i platyna.


• Połączenia czarnej dziury i gwiazdy neutronowej: Potwierdzenie istnienia tych "mieszanych" układów podwójnych.


• Połączenia asymetryczne: Zderzenia, w których jedna czarna dziura jest znacznie masywniejsza od drugiej, co stawia wyzwania przed teoretycznymi modelami formowania się układów podwójnych.


• Wypełnianie "luki masowej": Odkrycie obiektów o masach pomiędzy najcięższymi znanymi gwiazdami neutronowymi (około 2,5 mas Słońca) a najlżejszymi znanymi czarnymi dziurami (około 5 mas Słońca). Istnienie tych obiektów podważa ideę wyraźnej granicy między tymi dwoma typami ciał kosmicznych.


• Rekordowo masywne połączenie: Detekcja połączenia, które zaowocowało czarną dziurą o masie 225 razy większej od Słońca, co dostarczyło pierwszych dowodów na istnienie czarnych dziur o masie pośredniej.

Badacze z Northwestern University i ich Centrum Badań Interdyscyplinarnych i Badań w Astrofizyce (CIERA), pod kierownictwem profesor Vicky Kalogery, odegrali kluczową rolę w wielu z tych przełomowych momentów. Ich praca nad analizą danych i interpretacją astrofizyczną była nieoceniona dla zrozumienia fizyki stojącej za tymi ekstremalnymi zjawiskami kosmicznymi.

Technologia na granicy możliwości

Przyspieszone tempo odkryć było możliwe dzięki ciągłym ulepszeniom czułości detektorów sieci LVK. Są to cuda precyzyjnej inżynierii, które wykorzystują najnowocześniejsze technologie kwantowe. Fale grawitacyjne, przechodząc przez detektor, zakrzywiają czasoprzestrzeń o nieskończenie małe wartości – czasami mniejsze niż jedna dziesięciotysięczna szerokości protonu. To około 700 bilionów razy mniej niż grubość ludzkiego włosa. Wykrycie tak subtelnych zmian wymaga technologii, która potrafi wyeliminować niemal wszystkie wyobrażalne źródła szumu, od wstrząsów sejsmicznych po fluktuacje termiczne w samych lustrach interferometru.

To właśnie te postępy technologiczne sprawiły, że sygnał GW250114 był tak wyraźny. Dziesięć lat doskonalenia instrumentów przekształciło to, co w 2015 roku było ledwo zauważalnym "ćwierknięciem", w czysty dźwięk niosący bogactwo informacji o właściwościach czarnych dziur przed, w trakcie i po połączeniu.

Spojrzenie w przyszłość astronomii fal grawitacyjnych

Społeczność naukowa nie spoczywa na laurach. Plany na przyszłość są jeszcze bardziej ambitne. Trwa budowa trzeciego obserwatorium LIGO, LIGO India, które znacznie poprawi zdolność sieci do precyzyjnego lokalizowania źródeł fal grawitacyjnych na niebie. Dokładniejsza lokalizacja jest kluczowa do szybkiego skierowania teleskopów optycznych i innych w stronę źródła, co ma kluczowe znaczenie для astronomii wielozakresowej.

Patrząc jeszcze dalej w przyszłość, rozwijane są koncepcje detektorów nowej generacji. Projekt Cosmic Explorer w USA przewiduje budowę detektorów o ramionach długości 40 kilometrów (w porównaniu do 4 kilometrów w obecnych detektorach LIGO). W Europie projekt Einstein Telescope planuje budowę ogromnego podziemnego interferometru o ramionach długości ponad 10 kilometrów. Obserwatoria tej skali będą na tyle czułe, że będą w stanie "usłyszeć" łączenie się czarnych dziur aż do samych początków wszechświata, dając nam wgląd w formowanie się pierwszych gwiazd i galaktyk.

Dekada astronomii fal grawitacyjnych przekształciła nasze rozumienie wszechświata. Potwierdzenie twierdzenia Hawkinga jest nie tylko zwieńczeniem tej dekady, ale także wskaźnikiem, że znajdujemy się dopiero na początku podróży w odkrywaniu najgłębszych tajemnic grawitacji i kosmosu. Każdy nowy sygnał, który zarejestrują detektory, otwiera nowy rozdział w historii wszechświata.