Οι απόηχοι της Μαύρης Τρύπας θα αποκάλυπταν τη ρήξη με τη θεωρία του Αϊνστάιν

Όλοι ονειρευόμαστε το ίδιο όνειρο, εδώ στη θεωρητική φυσική. Ονειρευόμαστε την ημέρα που μια από τις εξισώσεις μας θα γραφτεί με βάση τα δεδομένα και θα προσαρμοστεί στη θέση τους. Είναι σπάνιο αυτό το όνειρο να γίνει πραγματικότητα. Ακόμα κι αν συμβεί, κάποιοι δεν ζουν για να το δουν.

Πάρτε, για παράδειγμα, τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος πέθανε το 1955, 60 χρόνια πριν επιβεβαιωθεί η πιο εκπληκτική συνέπεια των εξισώσεών του:ο χωροχρόνος έχει περιοδικούς κυματισμούς - βαρυτικά κύματα - που μπορούν να μεταφέρουν ενέργεια σε δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Από εκείνη τη σύγκρουση μαύρης τρύπας τον Σεπτέμβριο του 2015, η ομάδα του Παρατηρητηρίου Βαρυσιολογικών Κυμάτων Συμβολομετρητή Λέιζερ (LIGO) ανέφερε πέντε ακόμη συμβάντα (το ένα έκτο υπολείπεται του επιπέδου σημασίας). Αλλά τα δεδομένα LIGO εξακολουθούν να είναι παρθένα περιοχή. Είναι ένας εντελώς νέος τρόπος αποκωδικοποίησης του σύμπαντος και οι φυσικοί πρέπει να αναπτύξουν μεθόδους ανάλυσης δεδομένων μαζί με τις μετρήσεις.

Δεν είναι ένα απλό έργο. Η μέτρηση των βαρυτικών κυμάτων δεν είναι το είδος της ανακάλυψης που κάνετε τυχαία. Αλλά τώρα που έχουν τα δεδομένα, οι φυσικοί μπόρεσαν να εξαγάγουν πληροφορίες σχετικά με την αστροφυσική των μαύρων οπών και των άστρων νετρονίων, συμπεριλαμβανομένης της θέσης, της σύνθεσης και της μάζας τους. Μέτρησαν τη διαστολή του σύμπαντος και έκαναν νέες δοκιμές ακριβείας της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Η θεωρία έχει περάσει όλα τα τεστ — μέχρι στιγμής.

Αλλά οι ίδιες μετρήσεις που έχουν επιβεβαιώσει τόσο θεαματικά τη θεωρία του Αϊνστάιν θα μπορούσαν επίσης, ίσως, να αποκαλύψουν πού πάει στραβά.

Οι φυσικοί γνωρίζουν ότι η γενική σχετικότητα καταρρέει κοντά στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας. Ωστόσο, το κέντρο μιας μαύρης τρύπας είναι, ως γνωστόν, ένα μέρος όπου δεν μπορούμε ποτέ να κοιτάξουμε. Προστατεύεται από τον ορίζοντα της μαύρης τρύπας - την επιφάνεια που περιβάλλει τη μαύρη τρύπα από την οποία το φως δεν μπορεί ποτέ να διαφύγει. Στη γενική σχετικότητα, ο ορίζοντας της μαύρης τρύπας δεν έχει ουσία. δεν θέτει κανένα εμπόδιο. Η μαύρη τρύπα απλά καταπίνει ό,τι τολμήσει να περάσει τον ορίζοντα.

Οι περισσότεροι φυσικοί πιστεύουν ότι η γενική σχετικότητα περιγράφει σωστά τους ορίζοντες των μαύρων τρυπών. Ωστόσο, ορισμένοι έχουν υποστηρίξει ότι οι αντιφάσεις μεταξύ της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής θεωρίας σημαίνουν ότι κάτι άλλο θα μπορούσε να συμβαίνει. Συγκεκριμένα, ο ισχυρισμός ότι οι μαύρες τρύπες περιβάλλονται από ένα «τείχος προστασίας», αν και αμφιλεγόμενος, έχει ωθήσει τις εργασίες για εναλλακτικές περιγραφές του ορίζοντα.

Εάν ο ορίζοντας μιας μαύρης τρύπας εμποδίζεται από κάτι σαν τείχος προστασίας, τότε ο ορίζοντας θα μπορούσε ενδεχομένως να αντανακλά βαρυτικά κύματα. Εάν ήταν έτσι, τότε το LIGO θα πρέπει να δει στοιχεία για αυτές τις τροποποιήσεις. Συγκεκριμένα, μια σύγκρουση μεταξύ δύο μαύρων οπών θα πρέπει να παράγει μια ηχώ.

Αυτή είναι η βασική ιδέα που προτάθηκε από δύο ανεξάρτητες ομάδες φυσικών, τη μία με επικεφαλής τον Vítor Cardoso και την άλλη από τον Niayesh Afshordi. Χρησιμοποιώντας απλά μοντέλα για έναν ορίζοντα με ουσία, οι ερευνητές έδειξαν ότι ορισμένα από τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται από μια σύγκρουση μαύρης τρύπας θα πρέπει να αντανακλούν πίσω προς το κέντρο της μαύρης τρύπας. Στη συνέχεια, τα κύματα θα αντανακλώνται ξανά προς τα έξω, όπου μερικά θα αντανακλώνται και πάλι στον ορίζοντα. Η μαύρη τρύπα θα λειτουργούσε σαν μια κοιλότητα συντονισμού με έναν ημιδιαφανή καθρέφτη στο ένα άκρο. Θα εκπέμπει περιοδικά σήματα με φθίνουσα ένταση. Θα αντηχούσε.

Τόσο για τη θεωρία. Τι γίνεται με τα δεδομένα; Στα τέλη του 2016, ο Afshordi και οι συνεργάτες του εφάρμοσαν μια προσαρμοσμένη ανάλυση στα διαθέσιμα δημόσια δεδομένα του LIGO και αναζήτησαν στοιχεία για ηχώ. Παραδόξως, βρήκαν ηχώ ακριβώς εκεί που τους αναζήτησαν. Το σήμα δεν ήταν ιδιαίτερα σημαντικό - οι ερευνητές υπολόγισαν μια πιθανότητα 1 στις 100 ότι το σήμα ήταν απλώς θόρυβος - αλλά παρόλα αυτά ένα σήμα.

Ήταν μια μεγάλη αξίωση, μια παράτολμη αξίωση. Εάν είναι σωστό, θα ήταν απόδειξη για την αποτυχία της θεωρίας του Αϊνστάιν.

Λίγες εβδομάδες αφότου η ομάδα του Afshordi δημοσίευσε την εργασία τους, μέλη της συνεργασίας LIGO απάντησαν, εγείροντας ανησυχίες για την ανάλυση του Afshordi. Στη συνέχεια, η ομάδα LIGO ξεκίνησε να κάνει τη δική της μελέτη. Αλλά οι μεγάλες συνεργασίες λειτουργούν αργά, και έτσι χρειάστηκε περισσότερο από ένα χρόνο μέχρι να ολοκληρώσουν την ανάλυση και να λάβουν την έγκριση της συνεργασίας για τη δημοσίευση του έργου.

Η ανάλυση του μέλους του LIGO είναι τώρα διαθέσιμη. Οι ερευνητές βρήκαν την ηχώ, αλλά με χαμηλότερη στατιστική σημασία από πριν. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι υπάρχει 1 στις 50 πιθανότητες η ηχώ να είναι απλώς θόρυβος. Επιπλέον, η μελέτη βρήκε τα ισχυρότερα στοιχεία για μια ηχώ σε ένα συγκεκριμένο γεγονός - το γεγονός που έχει τη μικρότερη σημασία. Όταν αφαιρούν αυτό το συμβάν από το δείγμα, η πιθανότητα η ηχώ να μην είναι πραγματική ανεβαίνει σχεδόν στο 20%.

Για να είναι καθόλου εφικτή αυτή η ανάλυση δεδομένων, οι φυσικοί πρέπει να κάνουν υποθέσεις σχετικά με το σήμα που αναζητούν. Εμπνευσμένοι από το μοντέλο του Afshordi, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι οι ηχώ πρέπει να έρχονται σε τακτά χρονικά διαστήματα, ότι αποσυντίθενται εκθετικά και ότι παραμένουν αμετάβλητες (εκτός από τη μείωση του πλάτους). Από πολλές απόψεις, αναζητούν την απλούστερη δυνατή ηχώ.

Οι θεωρητικοί θα μπορούσαν τώρα να αναθεωρήσουν την ανάλυση δεδομένων και να αναπτύξουν υποθέσεις που ταιριάζουν καλύτερα στα δεδομένα. Αλλά η επανάληψη των ίδιων δεδομένων ξανά και ξανά ενέχει μεγάλο κίνδυνο:Αντί να αναπτύξουν μια καλύτερη θεωρία, θα μπορούσαν απλώς να βρουν έναν τρόπο για να ενισχύσουν καλύτερα τον θόρυβο.

Όσο περισσότερους τύπους ηχών αναζητούν, τόσο πιο πιθανό είναι να βρουν κάτι. Αλλά αυτές οι επαναλαμβανόμενες προσπάθειες θα καταστήσουν αναξιόπιστα μέτρα στατιστικής σημασίας.

Ο μόνος τρόπος για να ξεπεραστεί αυτό το αδιέξοδο είναι τα νέα δεδομένα. Θα χρειαστούν πολλές ακόμη επαναλήψεις αυτής της ανταλλαγής μεταξύ θεωρίας και πειράματος για να διευθετηθεί η υπόθεση.

Μέχρι στιγμής, τόσο οι πειραματιστές όσο και οι θεωρητικοί βρήκαν την ανταλλαγή καρποφόρα. «Συνεχίζουμε πλήρως με τη μοντελοποίηση των ηχών θεωρητικά και την εύρεση καλύτερων τρόπων αναζήτησης τους», δήλωσε ο Afshordi, ο συγγραφέας της αρχικής μελέτης. Επισήμανε επίσης ότι μια άλλη ομάδα βρήκε στοιχεία για ηχώ στα δεδομένα LIGO, ισχυριζόμενη ότι υπάρχει κίνδυνος ψευδώς θετικού σε λιγότερο από 1 τοις εκατό.

Εν τω μεταξύ, ο Ofek Birnholtz, ένας ερευνητής με τη συνεργασία LIGO, είπε ότι «υπήρξαν σίγουρα εντάσεις», αλλά η ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες αντηχούν «χωρίς αμφιβολία αξίζει να εξεταστεί περαιτέρω». Η αναζήτηση για ηχώ μαύρης τρύπας έχει γίνει ένας από τους επίσημους στόχους της Επιστημονικής Συνεργασίας LIGO.

Όλοι ονειρευόμαστε το ίδιο όνειρο, εδώ στη θεωρητική φυσική.

Διόρθωση:Αυτή η στήλη ενημερώθηκε στις 28 Μαρτίου 2018, για να διευκρινιστεί ότι μια ανάλυση δεδομένων που συνδέονται με την πιθανότητα ηχούς μαύρης τρύπας προέρχεται από ένα μέλος του LIGO και όχι από ολόκληρη τη συνεργασία.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα Ισπανικά στο  Investigacionyciencia.es .