Kosmiczny szept potwierdza teorię Hawkinga. Najgłośniejsze zderzenie czarnych dziur w historii dowodzi, że Wszechświat gra według reguł
Dokładnie dekadę po tym, jak po raz pierwszy „usłyszeliśmy” zmarszczki czasoprzestrzeni, nauka zrobiła kolejny, gigantyczny krok.
Międzynarodowy zespół badaczy, korzystając z danych z detektorów LIGO, zarejestrował najgłośniejszy i najwyraźniejszy sygnał fal grawitacyjnych w historii. Ta kosmiczna symfonia, pochodząca z kataklizmu sprzed miliardów lat, pozwoliła na najdokładniejszy jak dotąd test jednej z najbardziej fundamentalnych teorii Stephena Hawkinga dotyczącej czarnych dziur. Werdykt jest jednoznaczny: geniusz brytyjskiego fizyka po raz kolejny triumfuje.
Głośniej i wyraźniej niż kiedykolwiek
Sygnał, o którym mowa, nosi techniczną nazwę GW250114 i został zarejestrowany 14 stycznia 2025 roku. Dlaczego piszę o tym dopiero teraz? Bo praca naukowa stanowiąca merytoryczne podsumowanie badań jednoznacznie potwierdzających przewidywania słynnego, brytyjskiego fizyka, została opublikowana dosłownie „przed chwilą”, 10 września br.
W każdym razie zarejestrowany sygnał pochodzi z fuzji dwóch czarnych dziur o masach około 33,6 i 32,2 razy większych od masy Słońca. Choć parametry te przypominają nagłośnioną medialnie, historyczną, pierwszą detekcję fal grawitacyjnych z 2015 roku (GW150914), jest między nimi jedna, kolosalna różnica: jakość sygnału. Dzięki dekadzie nieustannych ulepszeń detektorów LIGO, nowy sygnał miał stosunek sygnału do szumu na poziomie 80, podczas gdy ten pierwszy zaledwie 26.
Mówiąc prościej, to tak, jakbyśmy przeszli od słuchania niewyraźnego szeptu w trakcie burzy do krystalicznie czystego głosu w wygłuszonym studiu. Ta niezwykła precyzja otworzyła drzwi do weryfikacji teorii na poziomie, który do tej pory pozostawał w sferze marzeń.
Prawo, które rządzi czarnymi dziurami
W 1971 roku Stephen Hawking sformułował tzw. prawo pól powierzchni czarnych dziur (twierdzenie o powierzchni), znane również jako druga zasada mechaniki czarnych dziur. Mówi ono, że całkowita powierzchnia horyzontów zdarzeń czarnych dziur nigdy nie może się zmniejszyć. To fizyczny odpowiednik zasady, że entropia (miara nieuporządkowania) w układzie zamkniętym zawsze rośnie. Kiedy dwie czarne dziury łączą się w jedną, powierzchnia nowo powstałego obiektu musi być większa niż suma powierzchni jego dwóch składników.
Przez pół wieku teoria ta pozostawała eleganckim, ale czysto matematycznym konstruktem. Brakowało nam narzędzi, by sprawdzić ją w praktyce. Aż do teraz.
Test w ekstremalnym laboratorium Wszechświata
Siła sygnału GW250114 pozwoliła naukowcom na przeprowadzenie niezwykle pomysłowego eksperymentu. Zamiast analizować cały sygnał na raz, postanowili oni podzielić go na dwie części: fazę „przed zderzeniem” (tzw. spiralę) i fazę „po zderzeniu” (tzw. wybrzmiewanie lub „ringdown”), celowo ignorując najbardziej chaotyczny i najgłośniejszy moment samej fuzji.
Analizując sygnał sprzed kolizji, byli w stanie precyzyjnie określić masy, spiny, a co za tym idzie, powierzchnie początkowych czarnych dziur. Następnie, badając „wybrzmiewanie” – czyli drgania nowo powstałego obiektu, który „uspokaja się” po gwałtownym połączeniu – mogli niezależnie obliczyć właściwości i powierzchnię finalnej czarnej dziury.
Wyniki, opublikowane 10 września 2025 roku w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters, nie pozostawiają wątpliwości. We wszystkich wariantach analizy, powierzchnia końcowa z ogromną pewnością statystyczną (na poziomie 4,4 sigma, czyli ok. około 99,999% pewności) przewyższała sumę powierzchni początkowych, co jest bezpośrednim potwierdzeniem prawa Hawkinga.
Potwierdzenie teorii Hawkinga. Co to dla nas oznacza?
To odkrycie to znacznie więcej niż tylko odhaczenie kolejnej teorii na liście. To dowód, że nasze rozumienie fundamentalnych praw fizyki, w tym ogólnej teorii względności Einsteina, sprawdza się nawet w najbardziej niewyobrażalnych warunkach, jakie oferuje Wszechświat. Potwierdza również, że czarne dziury, mimo swojej tajemniczości, są obiektami zadziwiająco „prostymi”, które można opisać za pomocą zaledwie kilku parametrów, takich jak masa i spin. To oczywiście uproszczenie, ale sam fakt, że czarne dziury poddają się takim uproszczeniom świadczy, że w jakimś stopniu możemy przewidywać ich zachowania.
Dekadę po otwarciu okna na Wszechświat za pomocą fal grawitacyjnych, nie tylko patrzymy, ale zaczynamy rozumieć go z niespotykaną dotąd klarownością. Każdy kolejny „szept” czasoprzestrzeni, jak ten najgłośniejszy, udowadnia potęgę ludzkiego umysłu – zdolnego najpierw wyobrazić sobie prawa rządzące kosmosem, a następnie zbudować instrumenty, by te prawa potwierdzić. Fale grawitacyjne dały nam możliwość obserwacji wszechświata w niemożliwy dotychczas sposób. One pozwalają zajrzeć tam, gdzie optyka, podczerwień, fale rentgenowskie, radiowe, ultrafiolet, gamma czy jakiekolwiek inne, po prostu zawodzą.
Jak zawsze dla dociekliwych mam link do pełnej treści pracy naukowej GW250114: Testing Hawking’s Area Law and the Kerr Nature of Black Holes. Ostrzegam jednak, że to naprawdę kawał badawczego „mięcha” wymagający pewnego poziomu wiedzy z astrofizyki.
