Znajdź zawartość

Równania wywiedzione z ogólnej teorii względności opisują trzy podstawowe konfiguracje czasoprzestrzeni. Teraz udowodniono, że jedna z tych konfiguracji, ważna z punktu widzenia grawitacji kwantowej, jest z natury niestabilna. Wszystko zaczęło się przed czterema laty, gdy matematyk Mihalis Dafermos z Princeton University zaproponował swojemu doktorantowi Georgiosowi Moschidisowi, by ten spróbował stworzyć matematyczny dowód na niestabilność pewnej konfiguracji czasoprzestrzeni. Dafermos wiedział, że stawia przed studentem niezwykle trudne zadanie i wątpił, czy ten sobie z nim poradzi. W 2006 roku Dafermos wraz z Gustavem Holzegelem wysunęli przypuszczenie – czyli niedowiedzione twierdzenie, które wydaje się być prawidłowe – o niestabilności przestrzeni anty de Sittera (przestrzeni AdS). Nie sądziłem, by kiedykolwiek zostało to dowiedzione, przyznaje. Zachęcił jednak swojego doktoranta do pracy nad tym niezwykle trudnym problemem. Okazuje się, że postawił właściwy problem przed właściwym człowiekiem. Od 2017 roku Moschidis w kolejnych pracach udowadnia niestabilność przestrzeni AdS. To zaś oznacza, że jeśli w przestrzeń AdS wrzucimy kawałek materii, pojawi się czarna dziura. Matematyk Jonathan Luk z Uniwersytetu Stanforda, który zna prace Moschidisa, mówi, że jego osiągnięcie jest zadziwiające. To, co odkrył to ogólny mechanizm niestabilności. Można go odnieść do innych konfiguracji, niezwiązanych z AdS, w których materia lub energia jest zamknięta i nie ma gdzie uciec. Sam Dafermos jest dumny ze swojego byłe studenta i przyznaje, że jego praca to z pewnością najbardziej oryginalna rzecz jaką w ciągu ostatnich lat widział na polu matematyki zajmującej się ogólną teorią względności. Przypuszczenie o niestabilności odnosi się do einsteinowskich równań dotyczących ogólne teorii względności, które dokładnie przewidują, jak masa i energia wpływają na zagięcie czasoprzestrzeni. W próżni, gdzie nie ma w ogóle materii, czasoprzestrzeń również może być zagięta, a grawitacja może istnieć z powodu gęstości energetycznej samej próżni, którą możemy opisać jako stałą kosmologiczna. Trzy najprostsze równania odnoszą się do symetrycznych konfiguracji, czyli takich, gdzie zagięcie czasoprzestrzeni jest wszędzie takie samo. W przestrzeni Minkowskiego, gdzie stała kosmologiczna wynosi 0, wszechświat jest idealnie płaski. W przestrzeni de Sittera, gdzie stała kosmologiczna ma wartość dodatnią, wszechświat ma kształt sfery. Natomiast w przestrzeni AdS mamy ujemną wartość stałej kosmologicznej, a wszechświat ma kształt siodła. Matematycy od dawna zastanawiali się, czy te próżniowe czasoprzestrzenie są stabilne. Co się stanie, gdy zaburzymy je, wrzucając np. kawałek materii. Czy wrócą one do swojego oryginalnego stanu czy też powstanie coś innego. Pytanie można to porównać do pytania o to, co się stanie, gdy wrzucimy kamień do stawu. Czy fale z czasem zanikną, czy też powstanie tsunami? W 1986 roku udowodniono, że przestrzeń de Sittera jest stabilna. W 1993 roku udowodniono stabilność przestrzeni Minkowskiego. Przypuszczano, że przestrzeń anty de Sittera jest niestabilna. Jednak zbadanie tego problemu wymagało opracowania nowych narzędzi. Matematyka ma wiele narzędzi do badania stabilności. Jednak niestabilność to całkiem inny obszar badawczy. Szczególnie niestabilność tego rodzaju, mówi Dafermos. Matematycy sądzili, że przypuszczalna niestabilność AdS może wynikać z tego, że jej granice są odblaskowe. Zatem docierające do nich fale odbijają się i wracają. Z poglądem tym zgadzają się fizycy, przyznaje Juan Maldacena, o którego osiągnięciach wspominaliśmy na naszych łamach. Jeśli zaś granice są odblaskowe, nic się nie może z przestrzeni AdS wydostać, to można przypuszczać, że każda ilość materii czy energii dodana do systemu może zostać skoncentrowana tak bardzo, że powstanie czarna dziura. Pytanie więc brzmi, czy rzeczywiście tak się stanie, a jeśli tak, to jaki mechanizm powoduje tak olbrzymią koncentrację i nie pozwala pozostać materii lub energii w rozproszeniu? Moschidis rozwiązał problem w oryginalny sposób. Wyobraził sobie, że stoi w środku przestrzeni AdS, co można porównać do stania wewnątrz gigantycznej piłki, której granice leżą w nieskończoności. Jeśli wyślemy ze środka światło, to dotrze ono do krawędzi w skończonym czasie. Stanie się tak z powodu znanego relatywistycznego efektu: chociaż przestrzeń dzieląca nas od granicy jest nieskończona, to dla obiektu czy fali poruszających się z prędkością światła czas zwalnia. Zatem dla obserwatora światło dotrze do granicy AdS w skończonym czasie. W swoich obliczeniach Moschidis posłużył się cząstką Einsteina-Własowa, która jest często wykorzystywana w modelach dotyczących ogólnej teorii względności. Cząstki te tworzą koncentryczne kręgi na powierzchni czasoprzestrzeni. Gdy wrzucimy takie cząstki do badanej przez nas czasoprzestrzeni, pojawiają się koncentryczne kręgi, z których dwa pierwsze będą największe, gdyż zawierają one najwięcej materii i energii. Pierwsza z fal (1) będzie rozszerzała się na zewnątrz, aż dotrze do granicy, odbija się i ruszy w kierunku centrum, kurcząc się po drodze. Ta kurcząca się fala 1 napotka na swojej drodze falę 2, która wciąż podąża w kierunku granicy i się rozszerza. Jak stwierdził Moschidis, z równania Einsteina wynika, że w takim wypadku fala rozszerzająca się (2) zawsze przekaże swoją energię fali kurczącej się (1). Gdy fala 1 dotrze do środka przestrzeni, znowu zacznie się rozszerzać i na swojej drodze spotka powracającą, kurczącą się, falę 2. Teraz to 1 przekaże energię 2. Taki proces może powtórzyć się wielokrotnie. Moschidis zdał sobie sprawę z jeszcze jednego faktu. Otóż w pobliżu centrum fale zajmują mniej miejsca, a niesiona przez nie energia jest bardziej skoncentrowana. Z tego też powodu fale spotykające się w pobliżu centrum wymieniają więcej energii, niż te spotykające się w pobliżu brzegów przestrzeni. To zaś powoduje, że fala 1 oddaje fali 2 więcej energii w pobliżu centrum, niż fala 2 oddaje fali 1 energii w pobliżu brzegów. Po wielu powtórzeniach takiej stacji fala 2 staje się coraz większa i większa, zabierając energię fali 1. Zwiększa się energia fali 2. W końcu jest ona tak wielka, że gdy fala 2 zmierza do centrum, jej energia zostaje tak bardzo skoncentrowana, iż tworzy się czarna dziura. Moschidis wykazał więc, że gdy dodamy do przestrzeni AdS najmniejszą nawet ilość materii, niewątpliwie utworzy się czarna dziura. Jednak, jako że – z definicji – przestrzeń AdS ma wszędzie jednakowe wygięcie, nie może zawierać obiektów takich jak czarne dziury, zaginających przestrzeń w inny sposób. Jeśli zaburzysz czasoprzestrzeń AdS i poczekasz odpowiednio długo, powstanie inna geometria, zawierająca czarną dziurę, a to już nie będzie AdS. To właśnie nazywamy niestabilnością, mówi Moschidis. Ostatnio młody uczony udowodnił niestabilność AdS dla zupełnie innego rodzaju zaburzeń, bezmasowego pola skalarnego. Jak zauważa Dafermos, jako że fale generowane w polu skalarnym są przybliżeniem fal grawitacyjnych, to Moschidis przybliżył się w ten sposób do ostatecznego celu – udowodnienia niestabilności AdS w prawdziwej próżni, gdzie czasoprzestrzeń zostaje zaburzona przez grawitację bez udziału materii. « powrót do artykułu

Po 16 latach badań opublikowano wyniki eksperymentu, który miał poszukać luk w ogólnej teorii względności Einsteina. Teorię poddano testom w ekstremalnych warunkach, wykorzystując w tym celu parę pulsarów, które obserwowano przez siedem różnych teleskopów. Teraz, na łamach Physical Review X naukowcy informują o zaobserwowaniu nowych zjawisk relatywistycznych. Ich istnienie teoretycznie przewidziano wcześniej, ale dopiero teraz udało się je zaobserwować. Wielokrotnie udowodniono, że ogólna teoria względności (OTW) Einsteina się sprawdza, jednak wiemy, że nie mówi ona ostatniego słowa w dziedzinie teorii grawitacji. Ponad 100 lat po jej sformułowaniu naukowcy wciąż poszukują w niej luk, mówi doktor Robert Ferdmanz University of East Anglia. Uczony przypomina, że OTW jest niekompatybilna z oddziaływaniami podstawowymi opisywanymi przez mechanikę kwantową. Dlatego też uczeni na całym świecie poddają teorię Einsteina wymagającym testom, by znaleźć jej słabości. Odkrycie znacznego odejścia od OTW byłoby ważnym odkryciem, które otworzyłoby nam drzwi do nowej fizyki, wykraczającej poza nasze aktualne rozumienie wszechświata. A to z kolei mogłoby ewentualnie doprowadzić do opracowania teorii unifikującej wszystkie podstawowe siły natury. Dlatego też zespół pod kierunkiem Michaela Kramera z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn, rozpoczął przed laty jeden z najbardziej rygorystycznych testów teorii względności. Pulsar to wysoce namagnetyzowana wirująca kompaktowa gwiazda, która z biegunów magnetycznych emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Masa pulsarów naszych jest większa od masy Słońca, ale ich średnica wynosi zaledwie około 20 kilometrów. Są to więc niewiarygodnie gęste obiekty, które jak latarnie morskie omiatają przestrzeń kosmiczną za pomocą fal radiowych, wyjaśnia Ferdman. Naukowcy postanowili przyjrzeć się podwójnemu pulsarowi, który odkryli w 2003 roku. To najbardziej precyzyjne laboratorium do testowania teorii Einsteina. Teorii, która powstała, gdy ani nie wiedziano o istnieniu takich gwiazd, ani nie istniała technologia pozwalająca na ich badanie, mówią uczeni. Zwykle pulsar podwójny składa się z pulsara i obiektu typu gwiazdowego (np. białego karła, gwiazdy neutronowej). Uczeni wzięli na warsztat niezwykle rzadki typ pulsara podwójnego, w którym oba obiekty są pulsarami. Gwiazdy wędrują wokół siebie wykonując pełne okrążenie w ciągu 147 sekund, pędząc przy tym z prędkością około 1 miliona km/h. Jedne z obserwowanych pulsarów wiruje z prędkością około 44 razy na sekundę. Jego towarzysz jest młodszy i wiruje z prędkością 2,8 obrotu na sekundę. Jednak to ruch pulsarów względem siebie tworzy idealne laboratoriów do testów teorii grawitacji. Układ PSR J0737–3039A/B obserwowano za pomocą siedmiu teleskopów z USA, Australii, Francji, Niemiec, Holandii i Wielkiej Brytanii. Dzięki temu osiągnęli niezwykłą precyzję pomiarową. Byliśmy w stanie przetestować kamień węgielny teorii Einsteina, fale grawitacyjne, z dokładnością 1000-krotnie większą niż współczesne wykrywacze fal grawitacyjnych i 25-krotnie większą niż badania pulsara podwójnego Hulse-Taylora (PSR B1913+16), za którego odkrycie i analizę Hulse i Taylor otrzymali Nagrodę Nobla, cieszy się profesor Kramer. Analizowaliśmy drogę fotonów fal radiowych emitowanych przez pulsar i badaliśmy ją w silnym polu grawitacyjnym drugiego pulsara. Po raz pierwszy obserwowaliśmy, że fotony były spowalniane nie tylko przez silne zakrzywienie czasoprzestrzeni w pobliżu towarzyszącego pulsara, ale również, że są one odginane o 0,04 stopnia. Nigdy wcześniej tego nie obserwowano, mówi profesor Ingrid Stairs z University of British Columbia. Dzięki temu, że wykorzystano tak niezwykły obiekt jak pulsar, który bardzo szybko się obraca, jest o 30% bardziej masywny od Słońca i ma zaledwie 24 kilometry średnicy, można było przetestować wiele koncepcji OTW. Oprócz fal grawitacyjnych i rozchodzenia się światła mogliśmy nawet zmierzyć dylatację czasu w polu grawitacyjnym. Gdy badaliśmy emisję elektromagnetyczną pulsara musieliśmy wziąć pod uwagę słynne równanie E=mc2. Okazało się, że nasz pulsar traci w ciągu sekundy aż 8 milionów ton masy. Jednak tylko pozornie jest to dużo. To zaledwie 3 części na tysiąc miliardów miliardów jego masy całkowitej, dodaje profesor Dick Manchester z australijskiego CSIRO. Naukowcy zauważyli też kolejny efekt relatywistyczny. Z dokładnością do 1 części na milion zmierzyli zmiany orientacji orbity pulsara. Efekt ten znany jest też z orbity Merkurego, jednak w przypadku badanego pulsara jest 140 000 razy silniejszy. Połączenie różnych technik pomiarowych pozwoliło też stwierdzić, że odległość pomiędzy Ziemią a pulsarem podwójnym wynosi 2400 lat świetlnych i zawęzić margines błędu do 8%. To bardzo istotne, gdyż wyniki wielu badań odległych obiektów były bardzo niepewne ze względu na niepewność odnośnie ich położenia. Zebraliśmy o tym systemie wszelkie możliwe informacje i na tej podstawie zbudowaliśmy perfekcyjnie spójny obraz, wykorzystując w tym celu wiele dziedzin fizyki: fizykę jądrową, grawitację, fizykę ośrodka międzygwiezdnego, fizykę plazmy i wiele innych, dodaje profesor Bill Coles z University of California San Diego. Uzyskane w ten sposób wyniki zgadzają się i uzupełniają wyniki innych eksperymentów. Osiągnęliśmy niespotykaną dotychczas precyzję. Przyszłe eksperymenty, z użyciem jeszcze większych teleskopów, pokażą  jeszcze więcej, mówi Kramer. « powrót do artykułu

Błędy, nawarstwiające się podczas analiz fal grawitacyjnych z różnych źródeł, mogą prowadzić do wyciągnięcia fałszywych wniosków, że ogólna teoria względności nie opisuje dobrze rzeczywistości, a prawdziwe są alternatywne teorie dotyczące grawitacji. Takie ostrzeżenie wystosowali brytyjscy naukowcy, którzy przeanalizowali sposób gromadzenia się tego typu błędów podczas analiz. Zarejestrowanie fal grawitacyjnych przez detektor LIGO było jednym z najważniejszych dowodów na prawdziwość ogólnej teorii względności. Jednak fizycy mają nadzieję, że w sygnałach fal grawitacyjnych znajdą też dowody na istnienie błędów w teorii względności. Jako, że teoria Einsteina jest niekompatybilna z mechaniką kwantową, naukowcy podejrzewają, iż nie opisuje ona całościowo interakcji grawitacyjnych. Dlatego też dokonują szczegółowych porównań właściwości fal grawitacyjnych z ogólną teorią względności, a każdą niezgodność interpretują jako możliwe luki w teorii. Christopher Moore i jego zespól z University of Birmingham podkreślają, że dotychczas wszystkie obserwacje fal grawitacyjnych były zgodne z założeniami Einsteina. Jednak w miarę, jak czułość amerykańskiego LIGO i europejskiego Virgo będzie rosła, a kolejne detektory również włączą się w badanie fal grawitacyjnych, będą dokonywane coraz bardziej szczegółowe analizy. Nie można więc wykluczyć, że autorzy tych analiz zauważą coś, co będą interpretowali jako potwierdzenie alternatywnych teorii. Moore i jego zespół przyjrzeli się możliwym błędom, które mogą wystąpić podczas analiz różnych wydarzeń generujących powstanie fal grawitacyjnych. Ku swojemu zdumieniu zauważyli, że gdy tworzone są katalogi sygnałów fal grawitacyjnych, drobne błędy nawarstwiają się szybciej, niż przypuszczano. Naukowcy wyjaśniają, że modelowanie fal grawitacyjnych to bardzo złożony proces. Wprowadza się więc pewne uproszczenia, by przeprowadzanie obliczeń było możliwe. Uproszczenia te polegają m.in. na ignorowaniu pewnych zjawisk fizycznych, np. pochodzących ze spinu czarnych dziur czy ekscentryczności ich orbit. A nawet wówczas, po rezygnacji z części danych, komputery mają problem z dokonaniem dokładnych obliczeń. Brytyjscy naukowcy stwierdzili, że tempo akumulacji błędów zależy od tego, w jaki sposób łączone są różne wydarzenia generujące fale grawitacyjne. Innymi słowy, wiele zależy od tego, jak do obliczeń dodawane są kolejne parametry. Z jednej strony mamy bowiem stałe parametry, jak np. masę hipotetycznego grawitonu, z drugiej zaś parametry zmienne, jak te dotyczące „włosów” czarnych dziur. Ponadto akumulacja błędów zależy też od tego, jak błędy w modelowaniu rozłożone są w całym katalogu, w którym gromadzone są poszczególne wpisy i w jakim stopniu prowadzą one do odchyleń, czy zawsze przesuwają odchylenia w obliczeniach w tym samym kierunku, czy też je uśredniają. Moore i koledzy zauważyli, że nawet gdy wykorzystywany model dobrze nadaje się do analizy konkretnego wydarzenia związanego z generowaniem fal grawitacyjnych, to przy wykorzystaniu go do analizy całego katalogu wydarzeń mogą pojawić się błędy, fałszywie wskazujące na prawdziwość teorii alternatywnych wobec ogólnej teorii względności. Inni specjaliści chwalą Brytyjczyków. Nicolás Yunes z University of Illinois Urbana-Chapaign mówi, że o problemie błędów wskazujących na nową fizykę wiadomo nie od dzisiaj, jednak praca ekspertów z Wielkiej Brytanii to doskonały punkt wyjścia do dalszych badań nad tym problemem i metodami jego przezwyciężenia. Katerina Chatzioannou z California Institute of Technology przyznaje, że obecnie wykorzystywane modele są wystarczająco dobre, by analizować dostępne dane z fal grawitacyjnych, jednak nie wiadomo, czy sprawdzą się one w przyszłości. W miarę, jak coraz więcej dowiadujemy się o falach grawitacyjnych i ich właściwościach, powinniśmy być w stanie korygować błędy, o których jest mowa w badaniach, dodaje Emanuele Berti z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. « powrót do artykułu

Wieloletnie obserwacje prowadzone za pomocą Very Large Telescope (VLT) potwierdzają, że gwiazda krążąca wokół supermasywnej czarnej dziury ulega precesji Schwarzschilda, zatem jej orbita jest zgodna z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina, a nie grawitacji Newtona. Jej kolejne orbity rysują rozetę. Ogólna teoria względności przewiduje, że związana orbita jednego obiektu krążącego wokół innego nie będzie zamknięta, jak wynikałoby z grawitacji newtonowskiej, ale będzie ulegała precesji w kierunku płaszczyzny ruchu. To słynne zjawisko, które po raz pierwszy zaobserwowano w przypadku orbity Merkurego wokół Słońca, było pierwszym dowodem na prawdziwość ogólnej teorii względności. Sto lat później obserwujemy ten sam efekt w ruchu gwiazdy wokół kompaktowego źródła sygnału radiowego Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej. Te przełomowe badania potwierdzają, że Sagittarius A* musi być supermasywną czarną dziurą o masie 4 milionów mas Słońca, powiedział Reinhard Genzel, dyrektor Instytutu Fizyki Pozaziemskiej im Maxa Plancka i jeden z głównych autorów badań. Od 1992 roku międzynarodowy zespół naukowy prowadzony przez Franka Eisenhauera obserwuje gwiazdę S2 krążącą wokół czarnej dziury znajdującej się w centrum naszej galaktyki. W pobliżu Sagittarius A* znajduje się gęsta gromada gwiazd. Wyróżnia się w niej S2, która krąży wokół dziury, zbliżając się do nej na odległość około 120 jednostek astronomicznych. To jedna z gwiazd najbliższych tej czarnej dziurze. W miejscu, gdzie S2 podlatuje najbliżej Sagittarius A* prędkość gwiazdy wynosi niemal 3% prędkości światła (ok. 9000 km/s). Gwiazda okrąża dziurę w ciągu 16 lat. Orbity większości planet i gwiazd nie są kołowe, zatem raz są bliżej, a raz dalej od obiektu, wokół którego krążą. Orbita S2 ulega precesji, co oznacza, że z każdym okrążeniem zmienia się punkt, w którym gwiazda jest najbliżej czarnej dziury. W ten sposób gwiazda kreśli wokół niej kształt rozety. Ogólna teoria względności bardzo precyzyjnie przewiduje takie zmiany orbity, a przeprowadzone właśnie obserwacje dokładnie zgadzają się z teorią, dowodząc jej prawdziwości. To pierwszy przypadek zmierzenia precesji Schwarszschilda w przypadku gwiazdy krążącej wokół supermasywnej czarnej dziury. To bardzo ważne obserwacje, gdyż, jak mówią Guy Perrin i Karine Perrault z Francji, pasują do ogólnej teorii względności tak dobrze, że możemy ustalić ścisłe granice dotyczące ilości niewidocznego materiału, jak rozproszona ciemna materia czy mniejsze czarne dziury, znajduje się wokół Sagittarius A*. Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Astronomy & Physics. « powrót do artykułu