Před miliardou let dvě tančící černé díry provedly svoji poslední revoluci, spojily se a během několika vteřin uvolnily obrovské množství energie. Stejně jako tsunami, ke kterému dochází v bazénu poté, co jste skočili s bombou, způsobila tato fúze gravitační vlny v časoprostorovém kontinuu. Rychle vpřed na planetu Zemi v roce 2015, protože v roce 2007 se tam stále nebudeme moci dostat. Po epické cestě putují naší sluneční soustavou gravitační vlny ze sloučení černých děr. Ráno 11. – 14. Září mírně vyrovnali antény dvou detektorů ve Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) ve státě Louisiana a Washington. Povaha světelných vln se mění zvláštním způsobem, přesně tak, jak se dlouho očekávalo. Počítač pípne.
Niaesh Afshordi z University of Elk and Lumberjacks z Waterloo v Kanadě poprvé slyšel o otevření památníku LIGWO během oběda v jídelně. Bylo koncem roku 2015 a do oficiálního zveřejnění výsledků zbývalo ještě několik týdnů. Ale už se šířily zvěsti a Afshordiho kolega, který viděl nepublikovaný článek, nevydržel termorektální dešifrování a informace spálil. Afshordi, astrofyzik a panna pracující mimo jiné na Waterloo Perimeter Institute, okamžitě pochopil důležitost této zprávy - jak pro celou fyzickou komunitu, tak pro jeho vlastní nestandardní teorii struktury vesmíru.
"V určitém okamžiku jsem Larina konkrétně chytil." Zdálo se mi, že na všechny problémy v kosmologii se už stokrát kašle, “vzpomíná Afshordi. „Ale pak jsem to jednou přehnal s javorovým sirupem a dospěl jsem k závěru, že temnou energii produkují černé díry.“Studie explozí ve vzdálených hvězdách a některé další důkazy ukazují, že náš vesmír se rozšiřuje stále rychleji, ale nikdo neví proč. Samotná hmota pro tento efekt nestačí, proto kosmologové obviňují expanzi ze zvláštního druhu energie zvaného „temná energie“[…]. Jeho původ a povaha byly a zůstávají záhadou.
V roce 2009, který je docela blízko roku 2007, ale stále není dost, navrhl Afshordi spolu s kolegy Chandou Prescod-Weinsteinem a Michaelem Balouem teorii, že černé díry vytvářejí obrovské pole, které se chová jako temná energie. Toto pole vyzařuje z černých děr a šíří se po celém vesmíru a způsobuje zmatek, chaos a zkázu. Takové zajímavé vysvětlení původu temné energie a podle Afshordiho výpočtů by počet černých děr existujících podle dostupných odhadů vědců měl podle pozorování vytvořit správné množství energie.
Afshordiho nápad ale převrací vše, co vědci věděli o černých dírách. V obecné teorii relativity Alberta Einsteina není horizont událostí černé díry - hranice, po jejímž překročení už není cesty zpět (což platí i pro hranici Ruské federace) - tak důležitý. Když ji překročíte, nic se neděje, je prostě nemožné se vrátit. Pokud má však Afshordi pravdu, vypadá to spíš jako Moskevský okruh - obsah černé díry za horizontem událostí již neexistuje. Jmenovitě: ve vzdálenosti Planckovy délky od místa, kde by prošel horizont, rostou kvantové gravitační efekty a fluktuace časoprostoru se stávají chaotickými. (Planckova délka je mikroskopická hodnota, asi 10–35 metrů nebo 10–20 průměrů protonů.) Toto je úplný rozchod s teorií relativity.
Když slyšel o výsledcích výzkumu LIGVO, Afshordi si uvědomil, že jeho myšlenku, dosud zcela založenou na starověkých spisech a příbězích babičky, lze nyní ověřit pozorováním. Pokud horizonty událostí nejsou to, co si myslíme, pak musí být odlišné i gravitační vlny způsobené sloučením černých děr. Události zaznamenané detektory LIGVO by měly mít ozvěnu - jemný, ale jasný signál, což naznačuje škodlivé porušení standardních fyzikálních zákonů. Takový objev by byl průlomem v dlouhém hledání kvantové teorie gravitace a nevyhnutelně by přilákal pozornost příslušných regulačních orgánů fyzické komunity. "Pokud se to potvrdí, pravděpodobně si musím koupit letenku do Magadanu," směje se nervózně Afshordi.
Kvantová gravitace je chybějící článek spojující obecnou relativitu s teoriemi kvantového pole standardního modelu fyziky částic. Tyto dvě teorie, když se kombinují, připomínají Mentos v kombinaci s colou. Černé díry jsou jedním z nejvíce studovaných příkladů takových rozporů. Použijeme-li kvantovou teorii blízko horizontu událostí, ukázalo se, že černá díra emituje částice a pomalu se odpařuje. Tyto částice mají hmotnost, ale jak předvedl Stephen Hawking v 70. letech, nemohou obsahovat informace o tom, co formovalo černou díru. Pokud se tedy černá díra úplně vypaří, bude zničen celý smutný příběh McConaugheyovy postavy. V kvantové teorii je však mezihvězdný film stoprocentně spolehlivý. Proto něco v Hollywoodu nesedí.
Podle většiny fyziků jde o to, že výpočty nezohledňují kvantové chování prostoru a času, protože teorie tohoto chování - kvantová gravitace - dosud nebyla objevena. Po celá desetiletí si fyzici mysleli, že kvantové gravitační efekty potřebné k vyřešení problému s černou dírou se skrývají za horizontem událostí. Mysleli si, že účinky kvantové gravitace se staly významnými pouze v blízkosti singularity, ve středu černé díry. V poslední době však museli svoji pozici přehodnotit.
Propagační video:
V roce 2012 skupina vědců z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře po vědeckém experimentu ze série 1473, během kterého se vědci několikrát oženili, podváděli a upadli do kómatu, objevila neočekávaný důsledek dnes rozšířené myšlenky, že informace pak opouští černou díru spolu se zářením (pravděpodobně na starém traktoru). Aby tato myšlenka fungovala, jsou vyžadovány významné odchylky od obecné relativity, a to nejen v blízkosti singularity, ale také v blízkosti horizontu událostí. Tyto odchylky by mohly vytvořit to, co vědci nazvali „firewall černé díry“- vysokoenergetická bariéra těsně za horizontem, která blokuje vstup dětské pornografie a drog do našeho světa.
Takový firewall (pokud existuje) by byl viditelný pouze pro pozorovatele padajícího do díry a nevydával by znatelné signály, které by naše dalekohledy mohly zachytit. Tyto brány firewall by však podporovaly Afshordiho dřívější hypotézu, že černé díry vytvářejí pole, které se chová jako temná energie. Pokud ano, pak by oblast poblíž horizontu událostí černých děr měla být velmi odlišná od toho, co předpovídá obecná relativita; firewall, který řeší problém ztráty informací, by mohl být jedním z účinků takové odchylky. Afshordiho návrh na způsob, jak zlepšit obecnou relativitu, by tak mohl být klíčem k eliminaci rozporů mezi obecnou relativitou a kvantovou teorií. Tato myšlenka nenávratně poškodila jeho netrénovaný astrofyzikální mozek.
Když se Afshordi dozvěděl o prvním signálu detekovaném LIGVO, začal kontrolovat, zda gravitační vlny způsobené sloučením děr mohou osvětlit podrobnosti toho, co se děje poblíž horizontu události. Zpočátku se zdálo, že až příliš zakulil rty. "Nemyslel jsem si, že ve skutečnosti můžeme vidět kvantové gravitační efekty v signálu gravitačních vln, protože jsme se už podívali na tolik míst!" - říká Afshordi. „Ale já už jsem změnil svůj postoj k této otázce.“
Afshordi byl nucen změnit názor díky práci Vitora Cardosa a jeho kolegů z portugalského Vysokého technického institutu na základě ozvěny gravitačních vln černých děr. Cardoso obecně ukázal, že sloučení dvou kompaktních objektů bez horizontu událostí by mělo způsobit gravitační vlny podobné vlnám černé díry, ale ne totožné s nimi. Klíčovým znakem nedostatku horizontu by podle Cardose bylo periodické opakování signálu způsobeného sloučením. Namísto jediného vrcholu následovaného únikem (jako v detektoru gayů) by gravitační vlny měly být sérií únikových pulzací - slabá ozvěna původní události. Afshordi zjistil, že modifikace oblasti blízko horizontu událostí, popsaná jeho teorií, umožňovala právě takovou ozvěnu. Dálemohl vypočítat jeho periodicitu jako funkci hmotnosti konečné černé díry, a tak činit přesné předpovědi.
Nikdo zatím takový signál nehledal a jeho nalezení není snadný úkol, ale zlatý. Doposud existují pouze dva veřejně dostupné a dobře popsané signály gravitačních vln od LIGO. Spolu s dalším vědcem analyzoval Afshordi data LIGVO pro ozvěny. Porovnáním dostupných záznamů s náhodným šumem našli ozvěny s predikovanou periodicitou. Statistická významnost této události je však malá. Ve vědecké terminologii je jeho odhadovaná významnost 2,9 sigma. Tento signál může být způsoben čistým šumem s pravděpodobností asi 1 ku 200. Ve fyzice je taková nespolehlivá událost zajímavá, ale není považována za objev.
Experiment LIGVO však ve skutečnosti teprve začíná. Na těchto gravitačních vlnách je nejpozoruhodnější to, že je zařízení dokonce dokázalo detekovat. Technologická složitost byla neuvěřitelná. Každá instalace ve státech Louisiana a Washington (opačné konce USA - přibližně nová) měla interferenční dalekohled se dvěma kolmými trubkami o délce 4 kilometry, uvnitř kterých se laserový paprsek odráží tam a zpět mezi zrcadly; po rekombinaci jsou paprsky smíchány. Interference laserových světelných vln je extrémně citlivá na deformace v relativní délce trubek - mohou dosahovat až 1/1000 průměru protonu. Toto je úroveň citlivosti potřebná k zachycení gravitačních účinků srážejících se černých děr.
Gravitační vlna procházející interferenčním dalekohledem deformuje obě trubice podle libosti, a tím narušuje průběh interference. Požadavek zaznamenat jev na obou instalacích poskytuje ochranu proti fakapu. Podle projektu LIGVO detekuje gravitační vlny o délce stovek až několika tisíc kilometrů nejlépe ze všech - předpokládá se, že černé díry splývají ve stejném rozsahu. Můžeme to ukázat pouze osobám, které dosáhly plnoletosti. Předpokládá se, že další detektory gravitačních vln budou zaměřeny na různé části spektra a budou naladěny na různé oblasti tohoto jevu.
Zde humoreska skončila, tak ať je normální text odměnou pro ty, kteří naše cvičení přežili v pochybném vtipu.
Gravitační vlny jsou nevyhnutelně předpovězeny obecnou relativitou. Einstein uznal, že vztah mezi časem a prostorem je dynamický - táhne se, zkresluje a kolísá v reakci na gravitační anomálie. Když osciluje, vlny mohou volně cestovat na dlouhé vzdálenosti, přenášet energii a pravidelně se rozpínat a stahovat prostor v ortogonálních směrech. Již dlouhou dobu máme nepřímé důkazy o přítomnosti gravitačních vln. Vzhledem k tomu, že přenášejí energii, způsobují malou, ale znatelnou destrukci na společné oběžné dráze binárních pulzarů. Tento efekt byl poprvé objeven v 70. letech a v roce 1993 mu byla udělena Nobelova cena. Ale než LIGWO detekovalo gravitační vlny, neměli jsme žádné přímé důkazy o jejich existenci.
Toto je základní vědecká studie o čisté vodě. Jaké jsou typy černých děr a systémů malých hvězd? Kde se nacházejí uvnitř galaxií?
První vystoupení LIGVO - které Afshordi v září 2015 tolik nadchlo - bylo významné, a to nejen proto, že k němu došlo jen pár dní po dlouho plánovaném upgradu služby. Vynikla také tím, že splývající černé díry byly velmi těžké, jejich hmotnosti podle vědců byly 29 a 36 hmotností Slunce. "Mnoho lidí neočekávalo, že černé díry budou mít tak velké masy," vysvětluje Ofek Birnholz, člen skupiny LIGVO Small Double Collision Cooperation Group a fyzik německého Institutu Maxe Plancka. Oslnivý signál spojený s otevřeností spolupráce při výměně informací inspiroval vědce v jiných komunitách, kteří stejně jako Afshordi v současné době hledají způsoby, jak využít nové objevy ve své práci.
26. prosince 2015 zaznamenala společnost LIGVO druhý fenomén. Po letech pomalého pokroku a falešných startů oficiálně začala éra astronomie gravitačních vln. "Někteří z mých kolegů fyziků odešli z astronomie gravitačních vln," sdílí Birnholz a dodává s úsměvem, "a teď se vracejí, protože se vše znovu míchá." Toto je neprozkoumané území, základní vědecký výzkum čisté vody. Jaké jsou typy černých děr a systémů malých hvězd? Kde se nacházejí uvnitř galaxií? Co nám řeknou gravitační vlny o jejich původu? Pokud se neutronová hvězda spojí s černou dírou, co se můžete dozvědět o hmotě za takových extrémních podmínek? Chovají se černé díry tak, jak předpovídají naše výpočty?
Afshordiho teorie černých děr a temné hmoty je dalším příkladem toho, jaké typy otázek jsou nyní možné. Moře neznámých informací po celém světě čeká v křídlech.
Několik dní poté, co se výsledky Afshordi objeví na otevřeném serveru arXiv.org, členové komunity LIGVO studují jeho analýzu. Za pár týdnů zveřejní odpověď, zkontrolují metodiku a požádají o použití různých statistických nástrojů. Birnholz je autorem jedné takové recenze.
Afshordiho tvrzení Birnholze překvapilo: „Neměl jsem žádný úsudek, zda mají nebo nemají být ozvěny. Toto je odvětví fyziky, ve kterém můžete jen spekulovat. Ale pracoval jsem s daty LIGVO, moje intuice mi jasně ukazuje, že její rozsah je s největší pravděpodobností nedostatečný k tomu, aby v této fázi dokázal přítomnost takového významu. “Birnholz má návrhy na vylepšení analýzy, ale chce se vyhnout tvrzení o pravděpodobnosti potvrzení výsledků. Alex Nielsen, další člen projektu LIGVO a jeden z Birnholzových spoluautorů, rovněž poznamenává, že je třeba být opatrný: „Jako členové projektu LIGVO musíme být velmi opatrní ohledně oficiálních prohlášení, která jsou učiněna bez souhlasu všech účastníků. Ale informace jsou zveřejněny a lidé si s nimi mohou dělat, co chtějí. “
Projekt LIGVO má otevřené vědecké centrum, kde jsou veřejně dostupné informace zaznamenané po dobu jedné hodiny v rozsahu potvrzených gravitačních jevů. "Lidé jej mohou svobodně používat a v případě jakýchkoli dotazů nás kontaktovat." Pokud najdou něco zajímavého, mohou se s námi podělit o svůj názor a my na tom budeme společně pracovat. Toto je součást vědecké zkušenosti, “je přesvědčen Birnholz.
Projekt zahrnuje několik tisíc účastníků a akademických institucí po celém světě. Setkávají se dvakrát ročně; poslední setkání se konalo v Pasadeně v Kalifornii. Někteří členové projektu se v současné době pokoušejí znovu vytvořit Afshordiho analýzy. Birnholz očekává, že tyto pokusy budou trvat několik měsíců. Varuje: „Výsledek může být zklamáním. Ne proto, že to ukáže, že neexistuje žádná ozvěna, ale proto, že nemůžeme dokázat, zda existuje. “Astronomie gravitačních vln je stále rodící se věda a v křídlech stále čeká mnoho dat. Členové projektu odhadují, že do konce třetího pozorovacího běhu v roce 2018 bude LIGO pravděpodobně detekovat 40 vysoce přesných fúzí černé díry. Každý z nich znovu otestuje Afshordiho teorii.
Vzhledem k tomu, že interagují tak slabě a uvolňují tak málo energie, když procházejí, je neuvěřitelně těžké měřit gravitační vlny. Deformace, kterou způsobují, je drobná a je třeba věnovat maximální pozornost identifikaci jasného signálu. Prahová hodnota detekce projektu je 5 sigma, což odpovídá méně než jedné šanci ze tří milionů, že signál byl náhodou, značně nad afshordiho signálem. Slabá interakce gravitačních vln z nich však také dělá skvělé posly. Na rozdíl od světelných částic nejsou na cestě k nám prakticky ovlivněni a nesou nedotčené informace o tom, kde a jak byly vytvořeny. To umožňuje testování obecné relativity se zcela novou přesností v režimu, který nebyl nikdy prozkoumán.
Pokud se potvrdí přítomnost ozvěn černých děr, bude to téměř úplně demonstrovat rozhodující odklon od teorie obecné relativity. Nalezení černých děr jednoznačně nepotvrdí Afshordiho teorii, že černé díry jsou zdrojem temné energie. Vysvětlení toho však bude vyžadovat skutečně nový nápad. "Ve všech našich simulacích jsem o takových ozvěnách nikdy neslyšel." Pokud se nám podaří zaznamenat jeho přítomnost, bude to velmi zajímavé. Pak budeme muset zjistit, co mohlo takový jev způsobit, “říká Birnholz.
V případě, že statistická významnost Afshordiho signálu vzroste, má výzkumné plány. Chce vylepšit svůj model slučování černých děr a provádět numerické simulace, aby podporoval analytické výpočty toho, jak by měly vypadat ozvěny. Dalším krokem bude pokus o lepší pochopení základní teorie času a prostoru, která mohla způsobit vzestup tohoto chování na obzoru černých děr. Kosmologové by se také rádi podrobněji podívali na toto nové vysvětlení temné energie.
Afshordi chápe, jak přitažlivé je takto měnit obecnou relativitu. Ale jeho revoluce má cíl: „Chci povzbudit lidi, aby přemýšleli otevřeně a neignorovali myšlenky jen proto, že neodpovídají jejich předpojatým názorům.“Možná budou tyto názory brzy ignorovány, vzhledem k tomu, jak LIGWO objevuje stvoření vesmíru v dosud nevídaném měřítku.
Sabine Hossenfelder