Desetljeće nakon povijesnog trenutka kada su znanstvenici prvi put izravno detektirali gravitacijske valove, potvrđujući tako stoljetno predviđanje Alberta Einsteina, astrofizička zajednica slavi još jedan izvanredan uspjeh. Analizom signala proizašlog iz sudara dviju masivnih crnih rupa, međunarodni tim istraživača, uključujući i stručnjake sa Sveučilišta Northwestern, pružio je dosad najčvršći dokaz za teorem o površini crnih rupa, koji je 1971. godine formulirao legendarni Stephen Hawking. Ovaj prodor ne samo da slavi desetu obljetnicu nove ere u astronomiji, već i produbljuje naše razumijevanje jednih od najzagonetnijih objekata u svemiru.

Signal, zabilježen pod oznakom GW250114, smatra se najčišćim i najjasnijim signalom spajanja crnih rupa koji je ikada zabilježila mreža detektora LVK, koja uključuje američki LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), europski Virgo i japanski KAGRA. Upravo je ta iznimna jasnoća signala omogućila znanstvenicima da s nevjerojatnom preciznošću testiraju Hawkingov postulat.

Potvrda Hawkingovog nasljeđa

Stephen Hawkingov teorem o površini crnih rupa u svojoj je suštini zapanjujuće jednostavan, ali s dubokim implikacijama. On tvrdi da se ukupna površina horizonta događaja crnih rupa u zatvorenom sustavu nikada ne može smanjiti. Drugim riječima, kada se dvije crne rupe sudare i spoje, površina novonastale, veće crne rupe mora biti jednaka ili veća od zbroja površina dviju izvornih crnih rupa. Ova zakonitost nevjerojatno podsjeća na drugi zakon termodinamike, koji kaže da ukupna entropija (mjera nereda) u izoliranom sustavu uvijek raste ili ostaje ista.

Upravo ta analogija navela je Hawkinga i druge fizičare na razmišljanje o dubokoj vezi između gravitacije, termodinamike i kvantne mehanike. Dugo se smatralo da je ovaj teorem nemoguće eksperimentalno provjeriti. Međutim, s dolaskom gravitacijske astronomije, ono što je nekad bila domena teorijske fizike, sada je postalo mjerljiva stvarnost.

Pri spajanju crnih rupa odvija se složena kozmička drama. Mase se zbrajaju, što prirodno vodi povećanju površine. Istovremeno, sustav gubi golemu količinu energije u obliku gravitacijskih valova, a novonastala crna rupa može početi rotirati znatno brže, što, prema jednadžbama opće relativnosti, može uzrokovati smanjenje njezine površine. Hawking je matematički dokazao da, unatoč tim suprotstavljenim efektima, konačni ishod uvijek mora biti povećanje ukupne površine. Detekcija GW250114 omogućila je znanstvenicima da po prvi put "čuju" i izmjere ovaj proces, pružajući empirijsku, nedvosmislenu potvrdu Hawkingovog teorema.

Analiza podataka pokazala je da su početne crne rupe imale ukupnu površinu horizonta događaja od oko 240.000 četvornih kilometara, što je otprilike površina američke savezne države Oregon. Nakon njihovog kozmičkog plesa i konačnog spajanja, novonastala crna rupa imala je površinu od impresivnih 400.000 četvornih kilometara, što odgovara površini Kalifornije. Povećanje je bilo jasno i mjerljivo, u savršenom skladu s predviđanjima.

Desetljeće koje je promijenilo astronomiju

Prije 14. rujna 2015. godine, cjelokupno naše znanje o svemiru temeljilo se na promatranju elektromagnetskog zračenja – od radiovalova do gama-zraka. Tog povijesnog dana, detektori LIGO-a zabilježili su prvi signal, valove u samom tkivu prostor-vremena, koji su putovali 1.3 milijarde godina kako bi stigli do Zemlje. Signal je nosio priču o sudaru dviju crnih rupa, događaju koji je do tada bio samo teorijska mogućnost. Bio je to početak revolucije.

Od tog prvog otkrića, LVK suradnja zabilježila je stotine događaja, pružajući oko 300 mjerenja masa kompaktnih objekata. Svako novo opažanje donosilo je nove spoznaje:

• Prvo spajanje neutronskih zvijezda: Događaj koji je, za razliku od spajanja crnih rupa, bio vidljiv i u elektromagnetskom spektru, otvarajući prozor u multi-messenger astronomiju i potvrđujući da su takvi sudari izvor mnogih teških elemenata u svemiru, poput zlata i platine.


• Spajanja crne rupe i neutronske zvijezde: Potvrda postojanja ovih "mješovitih" binarnih sustava.


• Asimetrična spajanja: Sudari u kojima je jedna crna rupa znatno masivnija od druge, što postavlja izazove pred teorijske modele formiranja binarnih sustava.


• Popunjavanje "masene praznine": Otkriće objekata s masama između najtežih poznatih neutronskih zvijezda (oko 2.5 solarne mase) i najlakših poznatih crnih rupa (oko 5 solarnih masa). Postojanje ovih objekata dovodi u pitanje ideju o jasnoj granici između ova dva tipa kozmičkih tijela.


• Rekordno masivno spajanje: Detekcija spajanja koje je rezultiralo crnom rupom mase 225 puta veće od Sunca, što je pružilo prve dokaze o postojanju crnih rupa srednje mase.

Istraživači sa Sveučilišta Northwestern i njihovog Centra za interdisciplinarna istraživanja i istraživanja u astrofizici (CIERA), predvođeni profesoricom Vicky Kalogerom, igrali su ključnu ulogu u mnogim od ovih prekretnica. Njihov rad na analizi podataka i astrofizičkoj interpretaciji bio je neprocjenjiv za razumijevanje fizike koja stoji iza ovih ekstremnih kozmičkih događaja.

Tehnologija na granici mogućeg

Ubrzani tempo otkrića omogućen je stalnim poboljšanjima osjetljivosti detektora LVK mreže. Radi se o čudima preciznog inženjerstva koja koriste najsuvremenije kvantne tehnologije. Gravitacijski valovi prolaskom kroz detektor iskrivljuju prostor-vrijeme za infinitezimalno male iznose – ponekad manje od jednog desettisućitog dijela širine protona. To je otprilike 700 bilijuna puta manje od debljine ljudske vlasi. Detektirati tako suptilne promjene zahtijeva tehnologiju koja može eliminirati gotovo sve zamislive izvore buke, od seizmičkih podrhtavanja do termalnih fluktuacija u samim zrcalima interferometra.

Upravo su ta tehnološka unapređenja omogućila da signal GW250114 bude toliko jasan. Deset godina usavršavanja instrumenata pretvorilo je ono što je 2015. bio jedva zamjetan "cvrkut" u jasan zvuk koji nosi bogatstvo informacija o svojstvima crnih rupa prije, tijekom i nakon spajanja.

Pogled u budućnost gravitacijske astronomije

Znanstvena zajednica ne miruje. Planovi za budućnost još su ambiciozniji. U tijeku je izgradnja trećeg LIGO opservatorija, LIGO India, koji će značajno poboljšati sposobnost mreže da precizno locira izvore gravitacijskih valova na nebu. Preciznija lokalizacija ključna je za brzo usmjeravanje optičkih i drugih teleskopa prema izvoru, što je od vitalnog značaja za multi-messenger astronomiju.

Gledajući još dalje u budućnost, razvijaju se koncepti za detektore sljedeće generacije. Projekt Cosmic Explorer u SAD-u predviđa izgradnju detektora s krakovima dugim 40 kilometara (u usporedbi s 4 kilometra kod trenutnih LIGO detektora). U Europi, projekt Einstein Telescope planira izgradnju ogromnog podzemnog interferometra s krakovima duljine preko 10 kilometara. Opservatoriji ovih razmjera bit će toliko osjetljivi da će moći "čuti" spajanja crnih rupa sve do samih početaka svemira, pružajući nam uvid u formiranje prvih zvijezda i galaksija.

Desetljeće gravitacijske astronomije transformiralo je naše razumijevanje svemira. Potvrda Hawkingovog teorema nije samo kruna tog desetljeća, već i pokazatelj da se nalazimo tek na početku putovanja u istraživanju najdubljih tajni gravitacije i kozmosa. Svaki novi signal koji detektori zabilježe otvara novo poglavlje u priči o svemiru.