S. Hawkingas 1971 m. pasiūlė savo juodųjų skylių ploto teoriją, kuri teigia, kad susiliejus dviem juodosioms skylėms, susidariusios juodosios skylės įvykių horizontas – riba, už kurios net šviesa negali ištrūkti iš juodosios skylės gniaužtų – negali būti mažesnis už pradinių juodųjų skylių sumą. Teorema atspindi antrąjį termodinamikos dėsnį, kuris teigia, kad entropija – arba netvarka objekte – niekada nemažėja.
Juodųjų skylių susiliejimai iškreipia Visatos struktūrą, sukeldami mažus erdvės-laiko svyravimus, vadinamus gravitacinėmis bangomis, kurios skrieja per visatą šviesos greičiu. Penkios gravitacinių bangų observatorijos Žemėje ieško bangų, kurios yra 10 000 kartų mažesnės už atomo branduolį. Tai yra du JAV esantys Lazeriniai interferometriniai gravitacinių bangų observatorijos (LIGO) detektoriai, Virgo detektorius Italijoje, KAGRA Japonijoje ir GEO600 Vokietijoje, kuriuos valdo tarptautinė bendradarbiavimo grupė, žinoma kaip LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).
Neseniai įvykęs susidūrimas, pavadintas GW250114, buvo beveik identiškas tam, kuris 2015 m. sukūrė pirmąsias kada nors pastebėtas gravitacines bangas. Abiem atvejais susidūrė juodosios skylės, kurių masė buvo 30–40 kartų didesnė už mūsų Saulės masę – ir tai įvyko maždaug 1,3 milijardo šviesmečių atstumu.
Šį kartą atnaujinti LIGO detektoriai buvo tris kartus jautresni nei 2015 m., todėl jie galėjo užfiksuoti susidūrimo bangas su iki šiol neregėta detalumu. Tai leido mokslininkams patikrinti S. Hawkingo teoremą, apskaičiuojant, kad įvykio horizonto plotas po susijungimo iš tiesų buvo didesnis.
Kai susiduria juodosios skylės, jos sukuria gravitacines bangas, kurių virštoniai primena varpo skambesį, teigia Laura Nuttall iš Portsmoutho universiteto Jungtinėje Karalystėje, LVK komandos narė. Anksčiau šie virštoniai išsisklaidydavo pernelyg greitai, kad būtų galima juos stebėti pakankamai aiškiai, kad būtų galima apskaičiuoti įvykio horizontų plotą prieš ir po susidūrimų – o tai buvo būtina norint patikrinti S. Hawkingo teoriją. 2021 m. tyrimas apie pirmąjį aptiktą susidūrimą patvirtino teoriją 95 proc. tikslumu, tačiau naujasis tyrimas padidina tą tikslumą iki įtikinamų 99,999 proc.
Per 10 metų, kuriuos mokslininkai stebėjo gravitacines bangas, jie užregistravo apie 300 juodųjų skylių susidūrimų. Tačiau nė vienas iš jų nebuvo užfiksuota taip stipriai ir aiškiai kaip GW250114, kuris buvo dvigubai galingesnis už bet kurią kitą iki šiol aptiktą gravitacinę bangą.
„Tos, kurios yra tikrai labai arti – tikrai labai galingos mūsų duomenyse – yra tos, kuriomis mes tikrai galime pradėti tirti pagrindinius fizikos reiškinius – tiesiog todėl, kad jos yra tokios galingos, o neapibrėžtumas yra toks mažas. Taigi galime pradėti išsiaiškinti, kas iš tiesų vyksta, – sako L. Nuttall. – Mes tiesiog laukiame, kol gamta ir toliau mums dovanos šias nuostabias akimirkas.“
Kai GW250114 bangos pasiekė Žemę, veikė tik LIGO. Tai neturėjo įtakos S. Hawkingo teorijos patikrinimui, tačiau reiškė, kad mokslininkai negalėjo tiksliau nustatyti bangų kilmės vietos danguje.
LIGO ir kitų planuojamų observatorijų, kurios turėtų pradėti veikti ateityje, atnaujinimai suteiks dar didesnį jautrumą ir leis mums giliau pasinerti į juodųjų skylių fiziką, sako Ianas Harry, taip pat dirbantis Portsmoutho universitete ir priklausantis LVK komandai. „Galbūt ne visus, bet tokį įvykį kaip šis patirsime dar kartą, – sako jis. – Galbūt po kito modernizavimo, galbūt 2028 m., pamatysime kažką panašaus ir galbūt tada jautrumas bus toks, kad galėsime iš tikrųjų rasti spragas.“
Šie atradimai atveria kelią naujiems kvantinės gravitacijos tyrimams, kuriais fizikai tikisi suvienyti bendrąją reliatyvumo teoriją ir kvantinę fiziką. L. Nuttall sako, kad naujausi rezultatai rodo, jog bendroji reliatyvumo teorija ir kvantinė mechanika ir toliau gerai dera – bet ateityje tikėtina tam tikra neatitiktis.
„Kai kuriuo momentu galime pradėti matyti, kad viskas nustoja veikti gerai, ir tai bus tada, kai gausime labai artimus signalus, kurie mūsų duomenyse atrodys ypač stiprūs, nes padidės prietaisų jautrumas“, – sako L. Nuttall.
Naujausi LVK duomenys taip pat leido mokslininkams patvirtinti matematiko Roy Kerro septintojo dešimtmečio lygtis, kuriose buvo prognozuojama, kad juodąsias skyles galima apibūdinti tik dviem rodikliais: jų mase ir sukimusi. Iš esmės dvi juodosios skylės, turinčios tą pačią masę ir sukimąsi, yra matematiškai identiškos. Dėl GW250114 stebėjimų, dabar žinome, kad tai tiesa, rašo „New Scientist“.
Tyrimas publikuotas žurnale „Physical Review Letters“.