Znajdź zawartość

Teorie mówią, że nie istnieją gwiazdowe czarne dziury o takiej masie. Ale, jak wiemy, natura zawsze znajdzie jakiś sposób, mówi Stan Woosley, astrofizyk z University of California, Santa Cruz. Uczony skomentował w ten sposób to, co zarejestrowały wykrywacze fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. A przechwyciły one sygnał świadczący o niezwykle mało prawdopodobnej kolizji czarnych dziur o rzadko spotykanej masie. Eksperci,  którymi kontaktowali się dziennikarze poinformowali, że wśród 22 fal grawitacyjnych zarejestrowanych od kwietnia przez LIGO/Virgo znajduje się taki, który pochodzi od czarnej dziury o masie nawet 100 mas Słońca. Dzisiaj naukowcy potwierdzili, że zauważyli kolizję dwóch czarnych dziur o masach 65 i 85 mas Słońca, w wyniku której powstała czarna dziura o masie 150 mas Słońca. Krzysztof Bełczyński, astrofizyk z Uniwersytetu Warszawskiego, był tak pewien, iż zderzenie takich czarnych dziur jest mało prawdopodobne, że w 2017 roku w podczas spotkania w Aspen Center For Physics wraz z Danielem Holzem z University of Chicago zawarli zakład stwierdzając, iż żadna czarna dziura o takiej masie nie zostanie wykryta w pierwszych 100 sygnałach LIGO/Virgo. Do zakładu dołączył później też Woosley. Zakład przyjęło troje innych naukowców. Myślę, że przegramy ten zakład. Ku chwale nauki, mówi Bełczyński. W 1967 roku fizycy z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie odkryli, że jeśli umierająca gwiazda ma bardzo masywne jądro, to nie zapadnie się ono w czarną dziurę. Gwiazda taka zmieni się w supernową niestabilności kreacji par (pair-instability supernova). Do jej powstania dochodzi, gdy jądro gwiazdy staje się tak gorące, iż światło spontanicznie zamienia się w nim w pary elektron-pozyton. Dotychczas ciśnienie światła zapewniało stabilność jądra. Gdy zaczyna się ono zamieniać w materię ciśnienie to spada, jądro gwałtownie się kurczy, staje się coraz gorętsze, to z kolei przyspiesza produkcję par elektron-pozyton. Powstaje samonapędzający się mechanizm. W końcu temperatura rośnie do tego stopnia, że dochodzi do fuzji tlenu. W jego wyniku implozja zostanie zatrzymana, a rozpoczyna się proces odwrotny. Następuje eksplozja jądra. Jeśli jądro miało masę 65–130 mas Słońca, cała materia zostaje rozrzucona. Po gwieździe pozostaje mgławica. Jądro nie zapada się, nie powstaje czarna dziura. Jeśli natomiast jądro, w którym doszło do niestabilności kreacji par miało masę od 50 do 65 mas Słońca, dochodzi do serii eksplozji, które stopniowo wyrzucają materię dopóty, dopóki masa jądra nie spadnie poniżej limitu, w którym niestabilność kreacji par już nie zachodzi. Z tego wynika, że nie powinny istnieć gwiazdowe czarne dziury o masie pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. To bardzo proste obliczenia, mówi Woosley, którego praca z 2002 roku na ten temat jest uważana za ostateczne wyjaśnienie problemu. Mogą za to istnieć, i istnieją, czarne dziury o masie większej niż 130 mas Słońca, gdyż implozja tak masywnego jądra nie może zostać zatrzymana, nawet w wyniku fuzji tlenu. Jądro zapada się do czarnej dziury. Jednak, jako że gwiazdy tracą masę przez całe swoje życie, gwiazda, która utworzyłaby jądro o masie ponad 130 mas Słońca musiałaby mieć co najmniej masę 300 mas Słońca. Tak masywne gwiazdy są niezwykle rzadkie. Dlatego też większość ekspertów uznaje, że LIGo/Virgo może wykryć kolizje czarnych dziur o masach nie przekraczających 50 mas Słońca. Znamy też supermasywne czarne dziury o masach miliony i miliardy raza większych od masy Słońca, jednak powstają one w inny sposób, a LIGO i Virgo nie są w stanie wykryć ich zderzeń. Dlatego tylko niewielu specjalistów uważało, że LIGO i Virgo zauważą kolizje czarnych dziur o masach ponad 50 mas Słońca. Stąd wyzwanie, jakie w formie zakładu rzucili im Bełczyński, Holz i Wooley. Zakład ten przyjęli Carl Rodriguez z MIT, Sourav Chatterjee z Tata Institute for Fundamental Research z Mombasy, do których dołączył później Fred Rasio z Northwestern University. Przegrani mają kupić każdemu z wygranych butelkę wina o wartości 100 USD. Rodriguez, Chatterjee i Rasio stwierdzili, że co prawda większość kolizji wykrywanych przez LIGO i Virgo prawdopodobnie ma swój początek w izolowanych układach podwójnych, ale niewielka część z nich może zachodzić w gęstych środowiskach takich jak gromady kuliste. Tam zaś, ich zdaniem, może zdarzyć się tak, że np. czarna dziura o masie 50 mas Słońca najpierw wchłonie czarną dziurę o masie 30 mas Słońca, a później znowu połączy się z jakąś czarną dziurą. LIGO/Virgo może zarejestrować to drugie zdarzenie, zatem zauważy zderzenie czarnych dziur, z których co najmniej jedna będzie miała masę pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. Istnieje też jeszcze inna możliwość. Otóż kolizja taka może rozpocząć się również w izolowanym układzie podwójnym. Jeśli jedna z gwiazd układu utworzy czarną dziurę, a układ nadal będzie istniał, to czarna dziura może wchłaniać masę z towarzyszącej jej gwiazdy, rosnąc powyżej „zakazanego” limitu. Później, gdy druga z gwiazd utworzy czarną dziurę, może dojść do kolizji obu czarnych dziur i zarejestrowania tego wydarzenia na Ziemi. Krzysztof Bełczyński i jego koledzy przegrali więc zakład. Woosley wciąż uważa, że granica „zakazanej masy” istnieje. Jego zdaniem, wśród olbrzymiej liczby czarnych dziur musi istnieć – mimo nielicznych wyjątków – wyraźny spadek liczby czarnych dziur w zakresie masy od 50 do 130 mas Słońca. A te nieliczne istniejące wyjątki to wynik tego, że natura nie znosi próżni. « powrót do artykułu

Przed czterema laty informowaliśmy o jednym z największych odkryć naukowych obecnego wieku – zarejestrowaniu fal grawitacyjnych. Zostały one zauważone przez LIGO, jeden z największych instrumentów naukowych na świecie. W każdym z dwóch laboratoriów LIGO pracuje interferometr w kształcie litery L, którego długość każdego z ramion wynosi 4000 metrów. W ciągu ostatnich lat LIGO kilkunastokrotnie rejestrował fale grawitacyjne. Teraz naukowcy proponują wybudowanie 1000-krotnie mniejszego przenośnego interferometru, który mógłby wykrywać fale grawitacyjne w każdym laboratorium na świecie. Interferometry LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) to 4-kilometrowe tunele, na końcach których umieszczono lustra. W stronę luster wystrzeliwany jest promień lasera, który odbija się i powraca do detektorów. Fale grawitacyjne ściskają i rozciągają przestrzeń o 1 część na 1021, co oznacza, że cała Ziemia jest ściskana lub rozciągana o mniej więcej grubość jądra atomu. Jeśli teraz promienie lasera w LIGO przebyły różną drogę – zatem jeśli interferometr został ściśnięty lub rozciągnięty przez fale grawitacyjne – to dojdzie między nimi do interferencji. A badając tę interferencję można zmierzyć relatywną długość ramion z dokładnością do 1/10 000 szerokości protonu. Jak widzimy LIGO to olbrzymi instrument. Dlatego też grupa fizyków proponuje zbudowanie wykrywacza fal grawitacyjnych o długości zaledwie 1 metra. Autorzy udostępnionego w arXiv artykułu, który wkrótce zostanie opublikowany na łamach New Journal of Physics, proponują budowę wykrywacza zjawiska z zakresu mechaniki kwantowej, które towarzyszy przejściu fal grawitacyjnych. Już teraz wiemy, że budowa takiego wykrywacza będzie niezwykle trudna, mówi jeden z autorów propozycji, Gavin Morley, fizyk z University of Warwick. Jeśli jednak się uda, wykrywaniem fal grawitacyjnych mogłoby zajmować się dziesiątki laboratoriów na całym świecie. Naukowcy nazwali swój instrument MIMAC (Mesoscopic Interference for Metric and Curvature). Jego głównym elementem ma być kawałek diamentu o wielkości nie przekraczającej mikrometra. Miałby on zostać umieszczony w stanie kwantowej superpozycji i oczekiwać na interakcję z falą grawitacyjną. W skład zespołu naukowego – obok Morleya – wchodzą Sougato Bose, Peter Barker i Ryan Marshman z University College London oraz Anupam Mazumdar i Steven Hoekstra z Uniwersytetu w Groningen. Proponują oni, by do stworzenia superpozycji wykorzystać strumień mikrofal skierowany na pojedynczy elektron powiązany z celowo wprowadzonym błędem w sieci krystalicznej atomów węgla we wspomnianym kawałku diamentu. Błąd ten to pojedynczy atom azotu dodany do sieci. Elektron w atomie azotu miałby jednocześnie absorbować i nie absorbować fotonu z mikrofal, tworząc kwantową superpozycję mikrodiamentu. Elektron w tej wersji diamentu, która zaabsorbowała foton przełączyłby się w stan nazwany „spin one”, co oznacza, że zachowywałby się jak miniaturowy magnes. Elektron w drugiej wersji diamentu pozostałby w stanie „spin zero”, magnetycznie neutralnym. Naukowcy uważają, że za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego można by następnie odsunąć od siebie obie cząstki na odległość nawet metra. W końcu naukowcy odwróciliby zewnętrze pole magnetyczne, łącząc obie pozycje diamentu i po raz ostatni wysyłając w jego kierunku impuls mikrofalowy. Ten ostatni impuls spowodowałby powstanie niezwykłego efektu kwantowego. W świecie kwantowym cząstki nie są cząstkami, a falami, których wielkość i kształt odpowiadają prawdopodobieństwu znalezienia cząstki w danej pozycji. Ten ostatni impuls mikrofal miałby za zadanie zmienić kształt superpozycji tak, że wierzchołki fali „spin one” nałożyłyby się na doliny i nawzajem zniosły, natomiast wierzchołki „spin zero” nałożyłyby się na siebie i wzmocniły. W ten sposób, przy braku jakichkolwiek oddziaływań z zewnątrz, pomiar elektronu zawsze dawałby wynik „spin zero”. I w tym momencie dochodzimy do sposobu wykrywania fal grawitacyjnych. Otóż fala taka przechodząca przez MIMAC, rozciągałaby lub ściskała superpozycję i prowadziła do zmiany stanu. Pomiary dawałyby więc różne wyniki, w których częstotliwość pojawiania się stanu „spin one” wskazywałaby na częstotliwość fali grawitacyjnej. Ron Folman, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu Ben Guriona w Izraelu, chwali podstawy teoretyczne i mówi, że zbudowanie działającego prototypu takiego wykrywacza może zająć dziesięciolecia. Wyizolowanie całego systemu od wpływów zewnętrznych będzie niezwykle trudne. Ale, jak dodaje, być może uda się to za naszego życia. Pod warunkiem, że poświęci się na to odpowiednio dużo wysiłku. Jednym z najpoważniejszych wyzwań będzie stworzenie superpozycji diamentu, która utrzyma się na odległość 1 metra. Przed czterema laty naukowcy z Uniwersytetu Stanforda byli w stanie utrzymać superpozycję 10 000 atomów odsuniętych na odległość około pół metra. To dotychczasowy rekord. Jednak tutaj mówimy o diamencie składającym się z miliarda czy 10 miliardów atomów. To znacznie trudniejsze, wyjaśnia Mazumdar. Ponadto stworzenie MIMAC wymagałoby połączenia w jednym urządzeniu wysokiej próżni, bardzo niskich temperatur czy precyzyjnie kontrolowanych pól magnetycznych. Każdy z tych elementów został już osiągnięty przez różne grupy naukowe, jednak ich połączenie to zupełnie inna historia. Fakt, że potrafisz żonglować i potrafisz jeździć na rowerze nie oznacza jeszcze, że potrafisz robić obie te rzeczy jednocześnie, zauważa Morley. Twórcy nowej koncepcji są jednak pełni zapału. Zauważają, że przenośny wykrywacz fal grawitacyjnych można by ustawiać w dowolnej orientacji względem nieboskłonu. I można by prowadzić badania fal w wielu różnych miejscach na świecie. Problemem jest stworzenie jednego działającego urządzenia. Jeśli to się uda, to łatwo będzie zbudować kolejne, podkreśla Bose. « powrót do artykułu