O teorie faimoasă a lui Stephen Hawking a fost confirmată după 54 de ani

Cercetătorii afirmă că abilitatea lor de a analiza undele gravitaționale s-a îmbunătățit atât de mult în ultimul deceniu, încât au reușit recent să verifice o idee esențială despre creșterea găurilor negre – una formulată de Stephen Hawking încă din 1971, relatează joi NPR.

Pe 14 septembrie 2015, fizicienii au atins obiectivul mult dorit de a detecta undele gravitaționale, unde de șoc emanate de evenimente cataclismice precum fuziunea violentă a două găuri negre.

Ei și-au prezentat lumii descoperirea uriașă în februarie 2016 iar aceasta le-a adus Premiul Nobel pentru Fizică doar un an mai târziu în condițiile în care intervalul de timp dintre o descoperire și recunoașterea sa cu un Nobel a crescut constant de-a lungul deceniilor, ajungând la o medie de peste 30 de ani.

În cei zece ani de la descoperirea inițială, oamenii de știință au detectat sute de găuri negre care se contopeau, precum și alte evenimente cosmice extreme, cum ar fi coliziuni de stele neutronice și găuri negre care se unesc cu o stea neutronică.

Acum, o echipă separată de cercetători a prezentat o nouă descoperire într-un studiu publicat joi în revista Physical Review Letters.

Ce spune teorema ariei găurilor negre

Când găurile negre se contopesc, masele lor se combină, ceea ce duce la creșterea suprafeței. Însă ele pierd și energie sub formă de unde gravitaționale. În plus, contopirea poate face ca gaura neagră rezultată să își mărească rotația, ceea ce duce la o suprafață mai mică. Teorema ariei găurilor negre afirmă că, în ciuda acestor factori concurenți, suprafața totală trebuie să crească.

Cercetătorii au crezut că au confirmat această teorie în 2021, însă rezultatul de atunci a fost marcat ulterior de incertitudini: datele erau mai puțin clare, iar „stingerea” de după fuziune (momentul în care se măsoară masa și rotația finală a găurii negre) este dificil de măsurat cu precizie în acel caz.

„Există o afirmație foarte celebră în fizică, formulată de Stephen Hawking, și anume că aria, suprafața, găurilor negre nu poate niciodată să scadă”, afirmă acum Maximiliano Isi, astrofizician la Universitatea Columbia și la Institutul Flatiron.

El spune că exact acest lucru au observat oamenii de știință după ce au analizat undele gravitaționale detectate la începutul acestui an. Pe 14 ianuarie, detectoarele au înregistrat unde gravitaționale provenite de la două găuri negre aflate la circa 1,3 miliarde de ani-lumină distanță, care se ciocneau.

Aceste găuri negre aveau mase cuprinse între 30 și 40 de ori masa Soarelui nostru, astfel că impactul lor a fost foarte asemănător cu cel care a dus la prima detecție a unei unde gravitaționale în 2015. De atunci însă, cele două detectoare gigantice operate de programul LIGO (Observatorul interferometru laser de unde gravitaționale), în Louisiana și în statul Washington, au fost modernizate în mod repetat.

„Pentru că detectoarele sunt atât de mult mai performante astăzi, putem înregistra semnalul mult mai clar”, spune Katerina Chatziioannou, fizician specializat în unde gravitaționale la Caltech.

Asta le-a permis să realizeze o nouă analiză care a arătat că, între cele două, găurile negre inițiale aveau o suprafață combinată de 240.000 de kilometri pătrați. După ce s-au unit într-o singură gaură neagră, aria acesteia era de circa 400.000 de kilometri pătrați.

„Am demonstrat exact teorema lui Hawking”

Teoria lui Hawking spune că aria finală a găurii negre trebuie să fie mai mare decât suma ariilor inițiale, subliniază Chatziioannou, „iar acesta este lucrul pe care l-am demonstrat observațional cu acel semnal”.

Isi afirmă că acest tip de dovadă este exact ceea ce spera Hawking acum un deceniu, când a fost anunțată prima detecție a unei unde gravitaționale. De fapt, el a luat legătura cu unul dintre oamenii de știință implicați atunci pentru a vedea dacă undele gravitaționale ar putea fi folosite pentru a testa această predicție.

Pe atunci, însă, pur și simplu nu era posibil, pentru că datele conțineau prea mult „zgomot” și tehnicile de analiză nu erau suficient de avansate.

Hawking a murit în 2018. „Este regretabil că Hawking nu mai este printre noi, dar, fără îndoială, aceasta este o modalitate prin care moștenirea lui continuă să trăiască”, spune Isi.

„Toate aceste idei pe care oamenii le-au gândit în anii ’70, crezând că sunt doar speculații teoretice, acum se manifestă în date reale”, adaugă cercetătorul. „Vedem că aceste lucruri se întâmplă aproape exact așa cum au fost prezise”.

Un alt fizician celebru a prezis existența undelor gravitaționale

Albert Einstein, care a prezis existența undelor gravitaționale în 1916, credea că ele nu vor fi niciodată detectate.

„Dacă i-am fi spus că detectăm unde gravitaționale de la găuri negre care se ciocnesc aproape în fiecare zi sau o dată la două-trei zile”, spune Isi, „sunt sigur că ar fi fost uluit”.

Gabriela González, cercetătoare în domeniul undelor gravitaționale la Universitatea de Stat din Louisiana, afirmă la rândul ei că echipa de cercetători a fost surprinsă de cât de multe fuziuni de găuri negre au observat.

„Am văzut atât de multe fuziuni de găuri negre. Învățăm atât de multe despre ele încât, uneori, sunt tentată să numesc asta «astronomie a găurilor negre» mai degrabă decât «astronomie a undelor gravitaționale»”, spune ea.

Ea ar fi prezis că vor vedea mult mai multe fuziuni între stele neutronice, dar, până acum, au observat doar câteva exemple.

Acest lucru s-ar putea schimba, întrucât cercetătorii lucrează deja la planuri pentru noi detectoare de unde gravitaționale, și mai mari, care ar fi de zece ori mai sensibile. „Acesta este visul nostru”, spune ea, adăugând că, peste un deceniu, aceste detectoare ar putea fi în construcție – poate chiar finalizate.