Εξόρυξη συγκρούσεων μαύρης τρύπας για νέα φυσική

Αποθήκευση

Όταν οι φυσικοί ανακοίνωσαν τον Φεβρουάριο ότι είχαν ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα από πρώτο χέρι, τα θεμέλια της φυσικής μετά βίας έτρεμαν. Το σήμα ταίριαζε ακριβώς με τις προσδοκίες στις οποίες είχαν φτάσει οι φυσικοί μετά από έναν αιώνα μπλοκαρίσματος με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. «Υπάρχει ένα ερώτημα:Μπορείτε να κάνετε θεμελιώδη φυσική με αυτό; Μπορείτε να κάνετε πράγματα πέρα από το τυπικό μοντέλο με αυτό;» είπε ο Σάβας Δημόπουλος, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. "Και οι περισσότεροι άνθρωποι πιστεύουν ότι η απάντηση σε αυτό είναι όχι."

Η Ασημίνα Αρβανιτάκη δεν είναι από αυτούς τους ανθρώπους. Θεωρητικός φυσικός στο Perimeter Institute of Theoretical Physics του Οντάριο, η Arvanitaki ονειρεύεται τρόπους να χρησιμοποιήσει τις μαύρες τρύπες για να εξερευνήσει τα θεμελιώδη σωματίδια και τις δυνάμεις της φύσης από το 2010, όταν δημοσίευσε μια εργασία με τον Δημόπουλο, τον μέντορά της από το μεταπτυχιακό σχολείο και άλλους. Μαζί, σκιαγράφησαν έναν «άξονα χορδών», ένα πάνθεον σωματιδίων που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί, ασθενώς αλληλεπιδρώντων. Άξιον όπως αυτά είναι εδώ και πολύ καιρό ένας αγαπημένος υποψήφιος για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη και άλλα μυστήρια.

Στα χρόνια που μεσολάβησαν, η Αρβανιτάκη και οι συνεργάτες της ανέπτυξαν την ιδέα μέσα από διαδοχικές εργασίες. Αλλά η ανακοίνωση του Φεβρουαρίου σηματοδότησε ένα σημείο καμπής, όπου όλα άρχισαν να φαίνονται δυνατά για να δοκιμαστούν αυτές οι ιδέες. Η μελέτη των βαρυτικών κυμάτων από τον νεοανακαλυφθέντα πληθυσμό των συγχωνευόμενων μαύρων οπών θα επέτρεπε στους φυσικούς να αναζητήσουν αυτά τα άξιον, καθώς τα αξιόνια θα δεσμεύονταν με μαύρες τρύπες σε αυτό που περιγράφει η Αρβανιτάκη ως «άτομο της μαύρης τρύπας».

«Όταν προέκυψε, είπαμε:«Θεέ μου, θα το κάνουμε τώρα, θα το ψάξουμε», είπε. "Είναι ένα εντελώς διαφορετικό παιχνίδι με μπάλα, αν έχεις πραγματικά δεδομένα."

Αυτό είναι το ταλέντο της Αρβανιτάκη:να ταιριάζει με αυτό που αποκαλεί «με καλά κίνητρα», θεωρητικές ιδέες με το ακριβές πείραμα που θα μπορούσε να τις διερευνήσει. «Με το να σκέφτεσαι μακριά από αυτά που έχουν συνηθίσει να σκέφτονται οι άνθρωποι, βλέπεις ότι υπάρχουν χαμηλά φρούτα που βρίσκονται στις διεπαφές», είπε. Στα τέλη Απριλίου, ονομάστηκε Έδρα Αρίσταρχος του Ιδρύματος Σταύρος Νιάρχος στο Ινστιτούτο Perimeter, η πρώτη γυναίκα που κατείχε ερευνητική έδρα εκεί.

Είναι πολύς ο δρόμος για κάποιον που μεγάλωσε στο μικρό ελληνικό χωριό Κόκλας, όπου η τάξη των αποφοίτων στο λύκειο της —στο οποίο δίδασκαν και οι δύο γονείς της— αποτελούνταν από εννέα μαθητές. Περιοδικό Quanta μίλησε με την Αρβανιτάκη για το σχέδιό της να χρησιμοποιήσει τις μαύρες τρύπες ως ανιχνευτές σωματιδίων. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική έκδοση αυτών των συζητήσεων.

QUANTA MAGZINE:Πότε αρχίσατε να πιστεύετε ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί να είναι καλά μέρη για να αναζητήσετε άξιον;

ΑΣΗΜΙΝΑ ΑΡΒΑΝΙΤΑΚΗ:Όταν γράφαμε το αξονικό χαρτί, ο Nemanja Kaloper, ένας φυσικός που είναι πολύ καλός στη γενική σχετικότητα, ήρθε και μας είπε, "Γεια, ξέρατε ότι υπάρχει αυτό το φαινόμενο στη γενική σχετικότητα που ονομάζεται υπερακτινοβολία;" Και λέμε, «Όχι, αυτό δεν μπορεί να είναι, δεν νομίζω ότι συμβαίνει αυτό. Αυτό δεν μπορεί να συμβεί για ένα ρεαλιστικό σύστημα. Πρέπει να κάνεις λάθος." Και μετά μας έπεισε τελικά ότι αυτό θα μπορούσε να είναι εφικτό, και μετά αφιερώσαμε ένα χρόνο για να υπολογίσουμε τη δυναμική.

Τι είναι η υπερακτινοβολία και πώς λειτουργεί;

Μια αστροφυσική μαύρη τρύπα μπορεί να περιστρέφεται. Υπάρχει μια περιοχή γύρω της που ονομάζεται «ergo area» όπου ακόμη και το φως πρέπει να περιστρέφεται. Φανταστείτε ότι παίρνω ένα κομμάτι ύλης και το ρίχνω σε μια τροχιά που περνά από την περιοχή του ergo. Τώρα φανταστείτε ότι έχετε μερικά εκρηκτικά στο θέμα, και σπάει σε κομμάτια. Μέρος του πέφτει στη μαύρη τρύπα και ένα μέρος ξεφεύγει στο άπειρο. Το κομμάτι που βγαίνει έχει περισσότερη συνολική ενέργεια από το κομμάτι που πήγε στη μαύρη τρύπα.

Μπορείτε να εκτελέσετε το ίδιο πείραμα σκεδάζοντας την ακτινοβολία από μια μαύρη τρύπα. Πάρτε έναν παλμό ηλεκτρομαγνητικού κύματος, διασκορπίστε τον από τη μαύρη τρύπα και θα δείτε ότι ο παλμός που λάβατε πίσω έχει υψηλότερο πλάτος.

Μπορείτε λοιπόν να στείλετε έναν παλμό φωτός κοντά σε μια μαύρη τρύπα με τέτοιο τρόπο ώστε να παίρνει λίγη ενέργεια και γωνιακή ορμή από την περιστροφή της μαύρης τρύπας;

Αυτά είναι παλιά νέα, παρεμπιπτόντως, αυτά είναι πολύ παλιά νέα. Το ’72 Press και ο Teukolsky έγραψε μια Φύση χαρτί που πρότεινε το εξής χαριτωμένο πράγμα. Ας φανταστούμε ότι κάνατε το ίδιο πείραμα με το φως, αλλά τώρα φανταστείτε ότι έχετε τη μαύρη τρύπα που περιβάλλεται από έναν τεράστιο καθρέφτη. Αυτό που θα συμβεί σε αυτή την περίπτωση είναι ότι το φως θα αναπηδά στον καθρέφτη πολλές φορές, το πλάτος [του φωτός] αυξάνεται εκθετικά και ο καθρέφτης τελικά εκρήγνυται λόγω της πίεσης ακτινοβολίας. Το ονόμασαν βόμβα μαύρης τρύπας.

Η ιδιότητα που επιτρέπει στο φως να το κάνει αυτό είναι ότι το φως αποτελείται από φωτόνια και τα φωτόνια είναι μποζόνια - σωματίδια που μπορούν να κάθονται στον ίδιο χώρο την ίδια στιγμή με την ίδια κυματική συνάρτηση. Τώρα φανταστείτε ότι έχετε ένα άλλο μποζόνιο που έχει μάζα. Μπορεί να [περιφέρει] τη μαύρη τρύπα. Η μάζα του σωματιδίου λειτουργεί σαν καθρέφτης, επειδή περιορίζει το σωματίδιο στην περιοχή της μαύρης τρύπας.

Με αυτόν τον τρόπο, τα αξιόνια μπορεί να κολλήσουν γύρω από μια μαύρη τρύπα;

Αυτή η διαδικασία απαιτεί το μέγεθος του σωματιδίου να είναι συγκρίσιμο με το μέγεθος της μαύρης τρύπας. Αποδεικνύεται ότι η μάζα [αξίων] μπορεί να είναι οπουδήποτε από την κλίμακα Hubble — με κβαντικό μήκος κύματος τόσο μεγάλο όσο το σύμπαν — ή μπορεί να έχετε ένα σωματίδιο μικροσκοπικού μεγέθους.

Επομένως, αν υπάρχουν, τα αξιόνια μπορούν να συνδεθούν με μαύρες τρύπες με παρόμοιο μέγεθος και μάζα. Τι ακολουθεί;

Αυτό που συμβαίνει είναι ότι ο αριθμός των σωματιδίων σε αυτή τη δεσμευμένη τροχιά αρχίζει να αυξάνεται εκθετικά. Την ίδια στιγμή η μαύρη τρύπα περιστρέφεται προς τα κάτω. Εάν λύσετε τις κυματοσυναρτήσεις των δεσμευμένων τροχιών, αυτό που θα βρείτε είναι ότι μοιάζουν με συναρτήσεις κυμάτων υδρογόνου. Αντί ο ηλεκτρομαγνητισμός να δεσμεύει το άτομό σας, αυτό που το δεσμεύει είναι η βαρύτητα. Υπάρχουν τρεις κβαντικοί αριθμοί που μπορείτε να περιγράψετε, ακριβώς οι ίδιοι. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ακριβή ορολογία που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε στο άτομο υδρογόνου.

Πώς θα μπορούσαμε να ελέγξουμε για να δούμε εάν κάποια από τις μαύρες τρύπες που βρέθηκαν στο LIGO έχουν νέφη αξόνων σε τροχιά γύρω από πυρήνες μαύρης τρύπας;

Αυτή είναι μια διαδικασία που εξάγει ενέργεια και γωνιακή ορμή από τη μαύρη τρύπα. Εάν επρόκειτο να μετρήσετε το σπιν έναντι της μάζας των μαύρων οπών, θα πρέπει να δείτε ότι σε ένα συγκεκριμένο εύρος μάζας για τις μαύρες τρύπες δεν βλέπετε μαύρες τρύπες που περιστρέφονται γρήγορα.

Εδώ μπαίνει το Advanced LIGO. Είδατε το γεγονός που είδαν. [Οι μετρήσεις τους] τους επέτρεψαν να μετρήσουν τις μάζες των συγχωνευόμενων αντικειμένων, τη μάζα του τελικού αντικειμένου, το σπιν του τελικού αντικειμένου και να έχουν κάποιες πληροφορίες για τις περιστροφές των αρχικών αντικειμένων.

Αν έπαιρνα τις περιστροφές των μαύρων οπών πριν συγχωνευθούν, θα μπορούσαν να είχαν επηρεαστεί από την υπερακτινοβολία. Τώρα φανταστείτε ένα γράφημα της περιστροφής της μαύρης τρύπας έναντι της μάζας. Το προηγμένο LIGO θα μπορούσε ίσως να λάβει, αν τα πράγματα που ακούμε είναι σωστά, χίλια συμβάντα ετησίως. Τώρα έχετε χίλια σημεία δεδομένων σε αυτό το οικόπεδο. Έτσι, μπορείτε να εντοπίσετε την περιοχή που επηρεάζεται από αυτό το σωματίδιο μόνο από αυτές τις μετρήσεις.

Αυτό θα ήταν πολύ ωραίο.

Αυτό φυσικά είναι έμμεσο. Το άλλο ωραίο λοιπόν είναι ότι αποδεικνύεται ότι υπάρχουν υπογραφές που έχουν να κάνουν με το ίδιο το νέφος των σωματιδίων. Και ουσιαστικά αυτό που κάνουν είναι να μετατρέπουν τη μαύρη τρύπα σε λέιζερ βαρυτικών κυμάτων.

Φοβερό. Εντάξει, τι σημαίνει αυτό;

Ναι, αυτό που σημαίνει είναι σημαντικό. Ακριβώς όπως έχετε μεταπτώσεις ηλεκτρονίων σε ένα διεγερμένο άτομο, μπορείτε να έχετε μεταπτώσεις σωματιδίων στο άτομο βαρυτικού κύματος. Ο ρυθμός εκπομπής βαρυτικών κυμάτων από αυτές τις μεταβάσεις ενισχύεται από τα 10 σωματίδια που έχετε. Θα έμοιαζε με μια πολύ μονόχρωμη γραμμή. Δεν θα έμοιαζε με παροδικό. Φανταστείτε κάτι τώρα που εκπέμπει ένα σήμα σε πολύ σταθερή συχνότητα.

Πού θα μπορούσε να περιμένει το LIGO να δει τέτοια σήματα;

Στο Advanced LIGO, βλέπετε πραγματικά τη γέννηση μιας μαύρης τρύπας. Ξέρετε πότε και πού γεννήθηκε μια μαύρη τρύπα με μια συγκεκριμένη μάζα και μια συγκεκριμένη περιστροφή. Έτσι, αν γνωρίζετε τις μάζες των σωματιδίων που αναζητάτε, μπορείτε να προβλέψετε πότε η μαύρη τρύπα θα αρχίσει να αναπτύσσει το νέφος [αξίων] γύρω της. Μπορεί να δείτε μια συγχώνευση εκείνη την ημέρα, και ένα ή 10 χρόνια αργότερα, επιστρέφουν στην ίδια θέση και βλέπουν αυτό το λέιζερ να ανάβει, βλέπουν αυτή τη μονόχρωμη γραμμή να βγαίνει από το σύννεφο.

Μπορείτε επίσης να κάνετε μια τυφλή αναζήτηση. Επειδή έχετε μαύρες τρύπες που περιφέρονται μόνες τους στο σύμπαν και θα μπορούσαν να έχουν ακόμα κάποιο σύννεφο γύρω τους, μπορείτε να κάνετε μια τυφλή αναζήτηση για μονοχρωματικά βαρυτικά κύματα.

Έχετε έκπληξη όταν ανακαλύψατε ότι τα αξόνια και οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν ένα τόσο δραματικό αποτέλεσμα;

Θεέ μου ναι. Για τι πράγμα μιλάς? Είχαμε κρίσεις πανικού. Ξέρετε πόσες κρίσεις πανικού είχαμε λέγοντας ότι αυτό το αποτέλεσμα, όχι, αυτό δεν μπορεί να είναι αλήθεια, αυτό είναι πολύ καλό για να είναι αληθινό; Οπότε ναι, ήταν έκπληξη.

Τα πειράματα που προτείνετε προέρχονται από πολλές διαφορετικές θεωρητικές ιδέες — όπως το πώς θα μπορούσαμε να αναζητήσουμε βαρυτικά κύματα υψηλής συχνότητας με επιτραπέζια αισθητήρια ή να ελέγξουμε εάν η σκοτεινή ύλη ταλαντώνεται χρησιμοποιώντας ατομικά ρολόγια. Όταν σκέφτεστε να κάνετε επικίνδυνα στοιχήματα στη φυσική πέρα από το τυπικό μοντέλο, ποια είδη θεωριών αξίζουν την προσπάθεια;

Τι έχει καλά κίνητρα; Πράγματα που δεν είναι:"Κι αν το είχατε αυτό;" Οι άνθρωποι φαντάζονται:«Τι θα γινόταν αν η σκοτεινή ύλη ήταν αυτό το πράγμα; Κι αν η σκοτεινή ύλη ήταν το άλλο πράγμα;» Για παράδειγμα, η υπερσυμμετρία κάνει προβλέψεις σχετικά με τους τύπους σκοτεινής ύλης που πρέπει να υπάρχουν εκεί. Η θεωρία χορδών κάνει προβλέψεις σχετικά με τους τύπους σωματιδίων που πρέπει να έχετε. Υπάρχει πάντα ένας βαθύς λόγος για τον οποίο υπάρχουν αυτά τα σωματίδια. Δεν είναι μόνο οι ατελείωτες θεωρητικές δυνατότητες που έχουμε.

Και τα axions ταιριάζουν σε αυτόν τον ορισμό;

Αυτό είναι ένα σωματίδιο που προτάθηκε πριν από 30 χρόνια για να εξηγήσει τη μικρότητα της παρατηρούμενης ηλεκτρικής διπολικής ροπής του νετρονίου. Υπάρχουν αρκετά πειράματα σε όλο τον κόσμο που το αναζητούν ήδη, σε διαφορετικά μήκη κύματος. Αυτό το σωματίδιο, λοιπόν, το ψάχναμε για 30 χρόνια. Αυτή μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη. Αυτό το σωματίδιο λύνει ένα εξαιρετικό πρόβλημα του τυπικού μοντέλου, έτσι ώστε να είναι ένα καλό σωματίδιο για αναζήτηση.

Τώρα, αν το σωματίδιο υπάρχει ή όχι, δεν μπορώ να απαντήσω για τη φύση. Η φύση θα πρέπει να απαντήσει.