Преди милиард години две танцуващи черни дупки направиха последната си революция, обединиха се и за броени секунди освободиха огромно количество енергия. Подобно на цунамито, което се случва в басейн, след като сте скочили с бомба, това сливане е причинило гравитационни вълни в пространствено-времевия континуум. Бързо напред към планетата Земя през 2015 г., защото през 2007 г. все още няма да можем да стигнем там. След епично пътуване гравитационните вълни от сливането на черни дупки пътуват през нашата слънчева система. Сутринта на 11-14 септември те леко изместиха антените на два детектора в Обсерваторията за лазерна интерферометрична гравитационна вълна (LIGO) в Луизиана и Вашингтон. Характерът на светлинните вълни се променя по специален начин, точно както се очакваше отдавна. Компютърът издава звуков сигнал.
Ниаеш Афшорди от Университета на лосовете и дървосекачите в Ватерло, Канада, чу за първи път забележителността на LIGWO по време на обяда в столовата. Беше в края на 2015 г. и все още оставаха няколко седмици, преди резултатите да бъдат официално публикувани. Но слуховете вече се разпространяваха и колегата на Афшорди, който видя непубликуваната статия, не издържа на терморекталната криптоанализа и изгори информацията. Афшорди, астрофизик и девствен, работещ между другото в Института за периметър Ватерло, веднага разбра значението на тази новина - както за цялата физическа общност, така и за собствената си нестандартна теория за структурата на Вселената.
„По някое време специално хванах Ларин. Струваше ми се, че всички проблеми в космологията вече са били изкашляни сто пъти “, спомня си Афшорди. "Но след това прекалих веднъж с кленов сироп и стигнах до заключението, че тъмната енергия се произвежда от черни дупки." Изследванията на експлозии в далечни звезди и някои други доказателства показват, че нашата Вселена се разширява с нарастваща скорост, но никой не знае защо. Само материята не е достатъчна за този ефект, така че космолозите обвиняват разширяването на специален вид енергия, наречена "тъмна енергия" […]. Произходът и природата му са били и остават загадка.
През 2009 г., което е доста близо до 2007 г., но все още не е достатъчно, Afshordi, заедно с колегите си Chanda Prescod-Weinstein и Michael Balou, излагат теорията, че черните дупки генерират огромно поле, което се държи като тъмна енергия. Това поле произлиза от черни дупки и се разпространява из Вселената, причинявайки хаос, хаос и разрушения. Подобно интригуващо обяснение за произхода на тъмната енергия и според изчисленията на Afshordi, броят на съществуващите черни дупки според наличните оценки на учените трябва да създаде точното количество енергия според наблюденията.
Но идеята на Afshordi обръща всичко, което учените знаят за черните дупки. В общата теория на относителността на Алберт Айнщайн хоризонтът на събитията на черна дупка - границата, след преминаване на която няма път назад (което се отнася и за границата на Руската федерация) - не е толкова важен. Когато го преминете, нищо не се случва, просто е невъзможно да се върнете. Ако обаче Afshordi е прав, това е по-скоро като Московския околовръстен път - съдържанието на черната дупка отвъд хоризонта на събитията вече не съществува. А именно: на разстояние от дължината на Планк от мястото, където би преминал хоризонтът, квантовите гравитационни ефекти нарастват и колебанията на пространството-времето стават хаотични. (Дължината на Планк е микроскопична стойност, около 10-35 метра или 10-20 протонни диаметъра.) Това е пълен разрив с теорията на относителността.
Чувайки за резултатите от изследванията на LIGVO, Афшорди осъзнал, че идеята му, досега изцяло базирана на древни писания и разкази на баба, вече може да бъде проверена чрез наблюдение. Ако хоризонтите на събитията не са това, което мислим, тогава гравитационните вълни, причинени от сливането на черни дупки, също трябва да са различни. Събитията, забелязани от детекторите LIGVO, трябва да имат ехо - фин, но ясен сигнал, показващ злонамерено нарушение на стандартните закони на физиката. Подобно откритие би било пробив в дългото търсене на квантова теория на гравитацията и неизбежно ще привлече вниманието на съответните регулаторни органи на физическата общност. „Ако това се потвърди, вероятно ще трябва да си купя билет за Магадан“, нервно се смее Афшорди.
Квантовата гравитация е липсващото звено, свързващо общата теория на относителността с квантовите теории на полето на стандартния модел на физиката на частиците. Тези две теории, когато се комбинират помежду си, приличат на Mentos, когато се комбинират с кола. Черните дупки са един от най-изследваните примери за подобни противоречия. Ако приложим квантовата теория близо до хоризонта на събитията, се оказва, че черната дупка излъчва частици и бавно се изпарява. Тези частици имат маса, но както демонстрира Стивън Хокинг през 70-те години, те не могат да съдържат информация за това, което е образувало черната дупка. По този начин, ако черната дупка напълно се изпари, цялата тъжна история за характера на Макконъхи ще бъде унищожена. В квантовата теория обаче филмът „Междузвездни“е 100% надежден. Следователно нещо в Холивуд не се побира.
Според повечето физици целият въпрос е, че изчисленията не отчитат квантовото поведение на пространството и времето, тъй като теорията за това поведение - квантовата гравитация - все още не е открита. В продължение на десетилетия физиците смятаха, че квантовите гравитационни ефекти, необходими за разрешаване на проблема с черната дупка, са скрити зад хоризонта на събитията. Те смятаха, че само близо до сингулярността, в центъра на черната дупка, ефектите от квантовата гравитация стават значителни. Но напоследък им се наложи да преосмислят позицията си.
Промоционално видео:
През 2012 г. група изследователи от Калифорнийския университет в Санта Барбара след научен експеримент от серия 1473, по време на който учените няколко пъти се жениха, изневеряваха си и изпаднаха в кома, откриха неочаквани последици от широко разпространената сега идея, че информацията след това напуска черната дупка заедно с радиацията (вероятно на стар трактор). За да работи тази идея, са необходими значителни отклонения от общата теория на относителността и не само близо до сингулярността, но и близо до хоризонта на събитията. Тези отклонения могат да създадат това, което изследователите наричат „защитна стена на черната дупка“- високоенергийна бариера точно до хоризонта, блокираща детската порнография и наркотиците да навлязат в нашия свят.
Такава защитна стена (ако съществува) би била видима само за наблюдател, попадащ в дупката и няма да издава забележими сигнали, които нашите телескопи могат да хванат. Тези защитни стени обаче биха подкрепили по-ранната хипотеза на Afshordi, че черните дупки създават поле, което се държи като тъмна енергия. Ако е така, тогава зоната в близост до хоризонта на събитията на черните дупки трябва да бъде много различна от това, което прогнозира общата теория на относителността; защитна стена, която решава проблема със загубата на информация, може да бъде един от ефектите на такова отклонение. Предложението на Afshordi за начин за подобряване на общата теория на относителността може да бъде ключът към премахването на противоречията между общата теория на относителността и квантовата теория. Тази идея необратимо уврежда неговия необучен астрофизичен мозък.
Когато научи за първия сигнал, открит от LIGVO, Афшорди започна да проверява дали гравитационните вълни, причинени от сливащите се дупки, могат да хвърлят светлина върху подробностите за случващото се в близост до хоризонта на събитията. Отначало изглеждаше, че той прекали с устни твърде много. „Не мислех, че всъщност можем да видим квантови гравитационни ефекти в сигнала на гравитационните вълни, защото вече сме търсили на толкова много места! - казва Афшорди. „Но аз вече промених позицията си по този въпрос.“
Афшорди беше принуден да промени решението си от работата на Витор Кардосо и неговите колеги от португалския Висш технически институт върху ехото на гравитационните вълни от черни дупки. Кардозо показа най-общо, че сливането на два компактни обекта без хоризонт на събитията трябва да предизвика гравитационни вълни, подобни на, но не идентични с вълните на черните дупки. Ключовият признак за липса на хоризонт, според Cardoso, ще бъде периодично повтаряне на сигнала, причинено от сливането. Вместо единичен пик, последван от избледняване (както при гей детектора), гравитационните вълни трябва да бъдат поредица от избледняващи пулсации - слабо ехо от първоначалното събитие. Afshordi установи, че модификацията на региона в близост до хоризонта на събитията, описана от неговата теория, осигурява точно такова ехо. Освен това,той можеше да изчисли нейната периодичност като функция от масата на крайната черна дупка и по този начин да направи точни прогнози.
Все още никой не е търсил такъв сигнал и намирането му не е лесна задача, а златна. До момента има само два публично достъпни и добре описани гравитационни вълнови сигнала, получени от LIGO. Заедно с друг учен Afshordi анализира данните на LIGVO за ехо. Сравнявайки наличните записи с произволен шум, те откриха ехо с предвидената честота. Статистическата значимост на това събитие обаче е малка. В научната терминология очакваното му значение е 2,9 сигма. Този сигнал може да бъде причинен от чист шум с шанс около 1 на 200. Във физиката такова ненадеждно събитие представлява интерес, но не се счита за откритие.
Експериментът LIGVO обаче всъщност тепърва започва. Най-поразителното при тези явления на гравитационните вълни е, че оборудването дори е успяло да ги открие. Технологичната сложност беше невероятна. Всяка инсталация в щатите Луизиана и Вашингтон (срещуположните краища на САЩ - приблизително нова) имаше интерференционен телескоп с две перпендикулярни 4-километрови тръби, вътре в които лазерният лъч се отразява напред-назад между огледалата; след рекомбинация гредите се смесват. Интерференцията на лазерните светлинни вълни е изключително чувствителна към деформации в относителната дължина на тръбите - те могат да бъдат до 1/1000 от диаметъра на протон. Това е нивото на чувствителност, необходимо за улавяне на гравитационните ефекти от сблъскващи се черни дупки.
Гравитационна вълна, преминаваща през интерференционен телескоп, деформира двете тръби, както му харесва, като по този начин изкривява хода на интерференцията. Изискването за регистриране на явлението и на двете инсталации осигурява защита срещу факап. Според проекта LIGVO най-добре засича гравитационни вълни с дължина от стотици до няколко хиляди километра - смята се, че сливането на черните дупки се случва в същия обхват. Можем да покажем това само на лица, навършили пълнолетие. Предвижда се други детектори на гравитационна вълна да насочват различни части от спектъра, като бъдат настроени към различни региони на явлението.
Тук хумореската приключи, така че нека нормалният текст бъде награда за онези, които оцеляха в нашите упражнения със съмнителна остроумие.
Гравитационните вълни неизбежно се предсказват от общата теория на относителността. Айнщайн осъзнава, че връзката между времето и пространството е динамична - тя се разтяга, изкривява и варира в отговор на гравитационните аномалии. Когато се колебае, вълните могат да пътуват свободно на големи разстояния, носейки енергия и периодично разширявайки и свивайки пространството в ортогонални посоки. Отдавна имаме косвени доказателства за наличието на гравитационни вълни. Поради факта, че те носят енергия, те причиняват малки, но осезаеми разрушения в общата орбита на бинарните пулсари. Този ефект е открит за първи път през 70-те години и е удостоен с Нобелова награда през 1993 г. Но преди LIGVO да записва гравитационни вълни, нямахме преки доказателства за тяхното съществуване.
Това е основно научно изследване на чистата вода. Какви са видовете черни дупки и малки звездни системи? Къде се намират в галактиките?
Първата поява на LIGVO - която толкова развълнува Afshordi през септември 2015 г. - беше значителна и не само защото се случи само няколко дни след дълго планирано надграждане на услугата. Освен това се открояваше, защото сливащите се черни дупки бяха много тежки, техните маси, според учените, бяха 29 и 36 слънчеви маси. „Много хора не очакваха черните дупки да имат толкова големи маси“, обяснява Офек Бирнхолц, член на Групата за сътрудничество за малки двойни сблъсъци на LIGVO и физик от германския институт Макс Планк. Ослепителният сигнал, заедно с отвореността за сътрудничество при обмена на информация, вдъхнови учени от други общности, които като Afshordi в момента търсят начини да използват нови открития в своята работа.
На 26 декември 2015 г. LIGVO регистрира второто явление. След години на бавен напредък и фалстарти, ерата на гравитационната астрономия на вълните официално започна. „Някои от моите колеги физици са се оттеглили от астрономията с гравитационни вълни“, споделя Бирнхолц и добавя, ухилен, „и сега се връщат, защото всичко отново се движи.“Това е неизследвана територия, основни научни изследвания на чиста вода. Какви са видовете черни дупки и малки звездни системи? Къде се намират в галактиките? Какво ще ни кажат гравитационните вълни за произхода им? Ако неутронната звезда се слее с черна дупка, какво можете да научите за материята при такива екстремни условия? Държат ли се черните дупки, както прогнозират нашите изчисления?
Теорията на Afshordi за черните дупки и тъмната материя е друг пример за това какви типове въпроси са възможни сега. Море от неразкрита информация по целия свят чака в крилете.
Няколко дни след като резултатите на Afshordi се появят на отворения сървър arXiv.org, членове на общността LIGVO изучават неговия анализ. Само след няколко седмици те публикуват отговор, преглеждат методологията и изискват използването на различни статистически инструменти. Бирнхолц е автор на едно такова ревю.
Твърдението на Afshordi изненада Birnholz: „Нямах преценка дали трябва да има ехо или не. Това е клон на физиката, в който можете само да спекулирате. Но работех с данни от LIGVO, интуицията ми ясно ми показва, че обхватът му най-вероятно е недостатъчен, за да се докаже наличието на такова значение на този етап. Бирнхолц има предложения за подобряване на анализа, но иска да избегне твърдения за вероятността от потвърждаване на резултатите. Алекс Нилсен, друг член на проекта LIGVO и един от съавторите на Birnholz, също отбелязва необходимостта да бъдем внимателни: „Като членове на проекта LIGVO, ние трябва да бъдем много внимателни по отношение на официалните изявления, направени без съгласието на всички участници. Но информацията се публикува и хората могат да правят каквото си искат с нея."
Проектът LIGVO има отворен научен център, където информацията е публично достъпна, записана за един час в диапазона от потвърдени гравитационни явления. „Хората са свободни да го използват и се свързват с нас при всякакви въпроси. Ако открият нещо интересно, те могат да споделят мнението си с нас и ние ще работим върху него заедно. Това е част от научния опит “, убеден е Бирнхолц.
Проектът включва няколко хиляди участници и академични институции по целия свят. Срещат се два пъти годишно; последната среща се състоя в Пасадена, Калифорния. В момента някои членове на проекта се опитват да пресъздадат анализите на Afshordi. Бирнхолц очаква тези опити да отнемат няколко месеца. Той предупреждава: „Резултатът може да бъде разочароващ. Не защото ще покаже, че няма ехо, а защото не можем да докажем дали то съществува. Астрономията с гравитационни вълни е все още зараждаща се наука и много данни все още чакат в крилата. Членовете на проекта изчисляват, че до края на третото наблюдение през 2018 г. LIGO вероятно е открило 40 високо прецизни сливания на черни дупки. Всеки от тях ще тества отново теорията на Афшорди.
Тъй като те си взаимодействат толкова слабо и отделят толкова малко енергия, когато преминават, гравитационните вълни са невероятно трудни за измерване. Деформацията, която причиняват, е малка и е необходимо изключително внимание, за да се идентифицира ясен сигнал. Прагът на откриване на проекта е 5 сигма, което съответства на по-малко от един шанс на три милиона, че сигналът е съвпадение, доста над сигнала на Афшорди. Слабото взаимодействие на гравитационните вълни обаче ги прави и велики пратеници. За разлика от светлинните частици, те практически не се влияят по пътя си към нас и носят недокосната информация за това къде и как са генерирани. Това позволява тестване на общата теория на относителността с изцяло нова точност, в никога преди изследван режим.
Ако се потвърди наличието на ехо от черни дупки, това почти напълно ще демонстрира решително отклонение от теорията на общата теория на относителността. Намирането на черни дупки няма еднозначно да потвърди теорията на Афшорди, че черните дупки са източник на тъмна енергия. Но обяснението на това ще изисква наистина нова идея. „Във всички наши симулации никога не съм чувал за такива отзвуци. Ако успеем да запишем присъствието му, ще бъде много интересно. Тогава ще трябва да видим какво би могло да причини подобно явление “, казва Бирнхолц.
В случай че статистическата значимост на сигнала Afshordi се увеличи, той има планове за изследвания. Той иска да подобри своя модел на сливания на черни дупки и да извърши числени симулации в подкрепа на аналитични изчисления на това как трябва да изглежда ехото. Следващата стъпка ще бъде да се опитаме да разберем по-добре основната теория за времето и пространството, която може да е причинила това поведение да се издигне на хоризонта на черните дупки. Също така космолозите биха искали да разгледат много по-отблизо това ново обяснение на тъмната енергия.
Афшорди разбира колко прекалено е промяната на общата теория на относителността по този начин. Но неговата революция има за цел: „Искам да насърча хората да мислят открито и да не пренебрегват идеите, само защото те не отговарят на техните предварително възприети възгледи“. Може би тези възгледи скоро ще бъдат игнорирани, като се има предвид как LIGWO открива творенията на Вселената в невиждан досега мащаб.
Сабине Хосенфелдер
