Κατά παράβαση του Αϊνστάιν, οι μαύρες τρύπες μπορεί να έχουν «μαλλιά»

Τα πανομοιότυπα δίδυμα δεν έχουν τίποτα στις μαύρες τρύπες. Τα δίδυμα μπορεί να μεγαλώνουν από τα ίδια γενετικά σχέδια, αλλά μπορεί να διαφέρουν με χίλιους τρόπους - από την ιδιοσυγκρασία μέχρι το χτένισμα. Οι μαύρες τρύπες, σύμφωνα με τη θεωρία της βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, μπορούν να έχουν μόνο τρία χαρακτηριστικά - μάζα, σπιν και φορτίο. Εάν αυτές οι τιμές είναι οι ίδιες για οποιεσδήποτε δύο μαύρες τρύπες, είναι αδύνατο να διακρίνουμε το ένα δίδυμο από το άλλο. Οι μαύρες τρύπες, λένε, δεν έχουν τρίχες.

«Στην κλασική γενική σχετικότητα, θα ήταν ακριβώς πανομοιότυπα», είπε ο Paul Chesler, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Δεν μπορείς να πεις τη διαφορά."

Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν αρχίσει να αναρωτιούνται εάν το «θεώρημα χωρίς τρίχες» είναι απολύτως αληθινό. Το 2012, ένας μαθηματικός ονόματι Στέφανος Αρετάκης —τότε στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ και τώρα στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο— πρότεινε ότι ορισμένες μαύρες τρύπες μπορεί να έχουν αστάθειες στους ορίζοντες γεγονότων τους. Αυτές οι αστάθειες θα έδιναν αποτελεσματικά σε ορισμένες περιοχές του ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας μια ισχυρότερη βαρυτική έλξη από άλλες. Αυτό θα έκανε τις κατά τα άλλα πανομοιότυπες μαύρες τρύπες να διακρίνονται.

Ωστόσο, οι εξισώσεις του έδειξαν μόνο ότι αυτό ήταν δυνατό για τις λεγόμενες ακραίες μαύρες τρύπες - αυτές που έχουν μια μέγιστη δυνατή τιμή είτε για τη μάζα, το σπιν ή το φορτίο τους. Και από όσο γνωρίζουμε, «αυτές οι μαύρες τρύπες δεν μπορούν να υπάρχουν, τουλάχιστον ακριβώς, στη φύση», είπε ο Chesler.

Τι θα γινόταν όμως αν είχατε μια σχεδόν ακραία μαύρη τρύπα, μια που πλησίαζε αυτές τις ακραίες τιμές αλλά δεν τις έφτανε ακριβώς; Μια τέτοια μαύρη τρύπα θα έπρεπε να μπορεί να υπάρχει, τουλάχιστον θεωρητικά. Θα μπορούσε να έχει ανιχνεύσιμες παραβιάσεις του θεωρήματος χωρίς τρίχα;

Ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε στα τέλη του περασμένου μήνα δείχνει ότι θα μπορούσε. Επιπλέον, αυτή η τρίχα θα μπορούσε να ανιχνευθεί από παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων.

«Ο Αρετάκης βασικά πρότεινε ότι υπήρχαν κάποιες πληροφορίες που είχαν μείνει στον ορίζοντα», είπε ο Gaurav Khanna, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης και στο Πανεπιστήμιο του Rhode Island και ένας από τους συν-συγγραφείς. "Το χαρτί μας ανοίγει τη δυνατότητα μέτρησης αυτής της τρίχας."

Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες προτείνουν ότι τα υπολείμματα είτε του σχηματισμού της μαύρης τρύπας είτε μεταγενέστερων διαταραχών, όπως η ύλη που πέφτει στη μαύρη τρύπα, θα μπορούσαν να δημιουργήσουν βαρυτικές αστάθειες στον ορίζοντα γεγονότων μιας σχεδόν ακραίας μαύρης τρύπας. «Θα περιμέναμε ότι το βαρυτικό σήμα που θα βλέπαμε θα ήταν αρκετά διαφορετικό από τις συνηθισμένες μαύρες τρύπες που δεν είναι ακραίες», είπε ο Khanna.

Εάν οι μαύρες τρύπες έχουν όντως τρίχες - διατηρώντας έτσι κάποιες πληροφορίες για το παρελθόν τους - αυτό θα μπορούσε να έχει συνέπειες για το διάσημο παράδοξο πληροφοριών για τις μαύρες τρύπες που προτάθηκε από τον αείμνηστο φυσικό Stephen Hawking, είπε η Lia Medeiros, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον. New Jersey. Αυτό το παράδοξο αποστάζει τη θεμελιώδη σύγκρουση μεταξύ της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής, των δύο μεγάλων πυλώνων της φυσικής του 20ού αιώνα. «Εάν παραβιάσετε μία από τις υποθέσεις [του παραδόξου της πληροφορίας], ίσως μπορέσετε να λύσετε το ίδιο το παράδοξο», είπε ο Medeiros. "Μία από τις υποθέσεις είναι το θεώρημα χωρίς τρίχες."

Οι συνέπειες αυτού μπορεί να είναι ευρείες. «Εάν μπορούμε να αποδείξουμε ότι ο πραγματικός χωρόχρονος της μαύρης τρύπας έξω από τη μαύρη τρύπα είναι διαφορετικός από αυτό που περιμένουμε, τότε νομίζω ότι αυτό θα έχει πραγματικά τεράστιες συνέπειες για τη γενική σχετικότητα», δήλωσε ο Medeiros, ο οποίος συνέγραψε ένα έγγραφο τον Οκτώβριο που εξέταζε εάν η παρατηρούμενη γεωμετρία των μαύρων οπών είναι σύμφωνη με τις προβλέψεις.

Ίσως η πιο συναρπαστική πτυχή αυτής της τελευταίας εργασίας, ωστόσο, είναι ότι θα μπορούσε να προσφέρει έναν τρόπο συγχώνευσης παρατηρήσεων μαύρων οπών με τη θεμελιώδη φυσική. Η ανίχνευση τριχών σε μαύρες τρύπες - ίσως τα πιο ακραία αστροφυσικά εργαστήρια στο σύμπαν - θα μπορούσε να μας επιτρέψει να διερευνήσουμε ιδέες όπως η θεωρία χορδών και η κβαντική βαρύτητα με τρόπο που δεν ήταν ποτέ δυνατός στο παρελθόν.

«Ένα από τα μεγάλα ζητήματα [με] τη θεωρία χορδών και την κβαντική βαρύτητα είναι ότι είναι πραγματικά δύσκολο να δοκιμαστούν αυτές οι προβλέψεις», είπε ο Medeiros. "Οπότε, αν έχετε κάτι που μπορεί να δοκιμαστεί έστω και εξ αποστάσεως, είναι καταπληκτικό."

Ωστόσο, υπάρχουν μεγάλα εμπόδια. Δεν είναι βέβαιο ότι υπάρχουν σχεδόν ακραίες μαύρες τρύπες. (Οι καλύτερες προσομοιώσεις αυτή τη στιγμή παράγουν συνήθως μαύρες τρύπες που απέχουν 30% από το να είναι ακραίες, είπε ο Chesler.) Και ακόμα κι αν το κάνουν, δεν είναι σαφές εάν οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα ήταν αρκετά ευαίσθητοι για να εντοπίσουν αυτές τις αστάθειες από τα μαλλιά.

Επιπλέον, τα μαλλιά αναμένεται να είναι απίστευτα βραχύβια, με διάρκεια μόλις κλάσματα του δευτερολέπτου.

Αλλά το ίδιο το χαρτί, τουλάχιστον κατ' αρχήν, φαίνεται υγιές. «Δεν νομίζω ότι κάποιος στην κοινότητα το αμφιβάλλει», είπε ο Τσέσλερ. «Δεν είναι κερδοσκοπικό. Απλώς αποδεικνύεται ότι οι εξισώσεις του Αϊνστάιν είναι τόσο περίπλοκες που ανακαλύπτουμε νέες ιδιότητες τους σε ετήσια βάση."

Το επόμενο βήμα θα ήταν να δούμε τι είδους σήματα θα πρέπει να αναζητούμε στους βαρυτικούς ανιχνευτές μας — είτε LIGO και Virgo, που λειτουργούν σήμερα, είτε μελλοντικά όργανα όπως το διαστημικό όργανο LISA της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας.

«Κάποιος θα πρέπει τώρα να βασιστεί στη δουλειά τους και να υπολογίσει πραγματικά ποια θα ήταν η συχνότητα αυτής της βαρυτικής ακτινοβολίας και να κατανοήσει πώς θα μπορούσαμε να την μετρήσουμε και να την αναγνωρίσουμε», δήλωσε ο Helvi Witek, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, Urbana-Champaign. "Το επόμενο βήμα είναι να πάμε από αυτή την πολύ ωραία και σημαντική θεωρητική μελέτη σε ποια θα ήταν η υπογραφή."

Υπάρχουν πολλοί λόγοι για να θέλετε να το κάνετε. Αν και οι πιθανότητες ανίχνευσης που θα αποδείξει ότι το χαρτί είναι σωστό είναι ελάχιστες, μια τέτοια ανακάλυψη όχι μόνο θα αμφισβητούσε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν αλλά θα απέδειξε την ύπαρξη σχεδόν ακραίων μαύρων τρυπών.

«Θα θέλαμε πολύ να μάθουμε αν η φύση θα επέτρεπε καν την ύπαρξη ενός τέτοιου θηρίου», είπε η Khanna. "Θα είχε αρκετά δραματικές επιπτώσεις στον τομέα μας."

Διόρθωση: 11 Φεβρουαρίου 2021
Η αρχική έκδοση αυτού του άρθρου υπονοούσε ότι οι θεωρητικοί δεν είναι σε θέση να προσομοιώσουν μαύρες τρύπες σε απόσταση μικρότερη από το 30% από το να είναι ακραίες. Στην πραγματικότητα, μπορούν να προσομοιώσουν σχεδόν ακραίες μαύρες τρύπες, αλλά οι τυπικές προσομοιώσεις τους απέχουν 30% από το να είναι ακραίες.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο Wired.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .