GW250114: Μελετώντας τον 2ο νόμο της Μηχανικής των Μελανών Οπών με βαρυτικά κύματα

Μεγάλος τίτλος! Ας τον σπάσουμε: Δέκα χρόνια μετά την πρώτη άμεση ανίχνευση ενός βαρυτικού κύματος, του GW150914, έχουν συμβεί πολλά. Πλέον μετράμε περίπου 200 βαρυτικά κύματα από συμπαγή αντικείμενα (κυρίως ζεύγη μελανών οπών, αλλά και κάποια ζευγάρια μελανής οπής – αστέρα νετρονίων, ή δύο αστέρων νετρονίων). Έχουμε καταφέρει να παρατηρήσουμε την πηγή ενός βαρυτικού κύματος σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (το GW170817 – διαβάστε εδώ). Επίσης,  να μελετήσουμε τις ιδιότητες των αντικειμένων αυτών στο σύνολο τους (δηλαδή σαν πληθυσμό, όχι σαν μεμονωμένες παρατηρήσεις), να χρησιμοποιήσουμε βαρυτικά κύματα για να μελετήσουμε το Σύμπαν, αλλά και να ελέγξουμε τη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Einstein. Το άρθρο αυτό αφορά την τελευταία περίπτωση: τη χρήση βαρυτικών κυμάτων για τον έλεγχο της καθιερωμένης θεωρίας βαρύτητας.

GW250114

Για να μελετήσουμε τη βαρύτητα θα χρησιμοποιήσουμε το σήμα GW250114, το οποίο παρατηρήθηκε στις 14 Γενάρη του 2025. Τι ιδιαίτερο έχει αυτό το σήμα; Όσον αφορά τα χαρακτηριστικά του, τίποτα το ιδιαίτερο: πρόκειται για ένα σύστημα δύο μελανών οπών, με μάζες περίπου 30 φορές όσο ο Ήλιος μας και σε μια απόσταση περίπου 1.14 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Κάποιος θα έλεγε ότι είναι τρομακτικά παρόμοιο με το πρώτο βαρυτικό κύμα που εντοπίσαμε πριν από 10 χρόνια. Τι άλλαξε λοιπόν;

Άλλαξε η ικανότητα μας να ανιχνεύουμε τέτοια σήματα, ή με άλλα λόγια, η ποιότητα των ανιχνευτών και της ανάλυσης βαρυτικών κυμάτων! Εξαιτίας αυτών των βελτιώσεων, ο πειραματικός θόρυβος είναι πολύ μικρότερος (Εικόνα 1), με αποτέλεσμα το GW250114 να αποτελεί το πιο “καθαρό” σήμα που έχουμε δει μέχρι σήμερα! Αυτό μας επιτρέπει να εξάγουμε πολύ περισσότερα συμπεράσματα σε σχέση με το “αδελφάκι” του, το GW150914, και με αυτόν τον τρόπο να τεστάρουμε έναν από τους “νόμους των μελανών οπών”.

Οι νόμοι των Μελανών Οπών

Οι νόμοι των μελανών οπών, ή αλλιώς η “θερμοδυναμική των μελανών οπών”, είναι μια σειρά από ιδιότητες των μελανών οπών που μοιάζουν πολύ με τους γνωστούς νόμους της θερμοδυναμικής. Αφήνουμε τη λεπτομερή παρουσίαση των νόμων αυτών για κάποιο μεταγενέστερο άρθρο, και προς το παρόν σημειώνουμε απλώς ότι ενώ αυτοί οι νόμοι θεωρήθηκαν αρχικά σαν κάποιες ενδιαφέρουσες μαθηματικές σχέσεις αναλογίας με αντίστοιχες της θερμοδυναμικής, η απόδειξη από τον Hawking ότι οι μελανές οπές μπορούν να ακτινοβολούν άλλαξε τα δεδομένα. Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία συνδέθηκε με μία “θερμοκρασία” για τις μαύρες τρύπες, και άρα η αναλογία με τη θερμοδυναμική απέκτησε μια πολύ πιο στέρεη βάση.

Ο νόμος που έχει σημασία για εμάς είναι ο δεύτερος: Στη θερμοδυναμική, ο δεύτερος νόμος σχετίζεται συχνά με την εντροπία ενός συστήματος, και λέει ότι σε ένα απομονωμένο σύστημα, μια μεταβολή οδηγεί σε ίση ή μεγαλύτερη εντροπία. Στις μαύρες τρύπες, η εντροπία τους, σχετίζεται με την επιφάνεια τους, οπότε ο αντίστοιχος νόμος λέει: Καμία αλληλεπίδραση δεν μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της συνολικής επιφάνειας μιας μαύρης τρύπας, ή με άλλα λόγια, ότι η επιφάνεια πρέπει να αυξάνει, ή να μένει ίδια. 

Μια από τις υποθέσεις για το δεύτερο νόμο είναι και η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, άρα ο έλεγχος του αποτελεί ένα καλό τεστ για τον Einstein.

Ελέγχοντας τον “Νόμο Επιφανειών” του Hawking

Πώς θα ελέγξουμε λοιπόν τον δεύτερο νόμο των μελανών οπών, ή αλλιώς τον “νόμο των επιφανειών” του Hawking; Θα μετρήσουμε τις επιφάνειες των μελανών οπών πριν συγκρουστούν, καθώς και την επιφάνεια της μαύρης τρύπας μετά τη σύγκρουση. Αν ισχύει ο νόμος, περιμένουμε να δούμε μια μεταβολή μεγαλύτερη (ή ίση) με μηδέν, δηλαδή την επιφάνεια να αυξάνεται. 

Το κόλπο είναι το εξής: Θα κόψουμε το σήμα που βλέπουμε στην Εικόνα 1 στα δύο. Θα πάρουμε το σήμα πριν τη συγχώνευση και αυτό μετά, και θα τα αναλύσουμε σαν διαφορετικά. Υπολογίζοντας τη συνολική επιφάνεια των μελανών οπών πριν και μετά τη συγχώνευση, μπορούμε να δούμε αν μένει ίδια ή αυξάνεται (όπως αναμένουμε) ή μειώνεται. 

Αυτό λοιπόν έγινε (βλέπε Εικόνα 2) για τα δύο σήματα που έχουμε μιλήσει μέχρι στιγμής, του GW150914 (αριστερά) και του GW250114 (δεξιά). Οι περιοχές με θαμπό γκρι είναι οι “απαγορευμένες” περιοχές σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο των μελανών οπών. Παρότι και στις δύο περιπτώσεις οι περιοχές μεγαλύτερης πιθανότητας είναι δεξιά της διακεκομμένης κάθετης γραμμής (που υποδεικνύει ότι η μεταβολή της επιφάνειας είναι μηδέν), οι βελτιώσεις των τελευταίων δέκα χρόνων ήταν αυτές που έκαναν το σήμα τόσο καθαρό, ώστε να αποκλειστούν τελείως οι αρνητικές τιμές!

Το βαρυτικό σήμα GW250114 οδήγησε και σε μία άλλη σειρά ελέγχων για τη θεωρία βαρύτητας του Einstein, τους οποίους κατάφερε να περάσει με επιτυχία. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, για ακόμα μια φορά, lived to fight another day!