Jak przewidzieć zderzenie czarnych dziur? Fizycy odkrywają nowy, prostszy model matematyczny!
Zderzenie dwóch czarnych dziur należy do najbardziej gwałtownych wydarzeń we Wszechświecie. W ciągu ułamków sekund ogromne ilości energii zamieniają się w fale grawitacyjne – niewidzialne „zmarszczki” czasoprzestrzeni, które przemierzają kosmos i docierają do detektorów na Ziemi. Choć proces ten wydaje się niezwykle skomplikowany, najnowsze badania fizyków pokazują, że końcowy efekt takich kosmicznych katastrof można opisać znacznie prostszymi zasadami.
Naukowcy z Penn State University wykazali, że masa powstałej po zderzeniu czarnej dziury może być przewidywana przy użyciu narzędzi związanych z termodynamiką – dziedziną fizyki, która na co dzień opisuje między innymi zachowanie gazów, cieczy i energii cieplnej. Odkrycie sugeruje, że nawet najbardziej ekstremalne obiekty we Wszechświecie podlegają pewnym uniwersalnym regułom.
Kosmiczna kolizja zapisana w falach grawitacyjnych
Czarne dziury powstają najczęściej po śmierci bardzo masywnych gwiazd. Ich grawitacja jest tak silna, że nic – nawet światło – nie może wydostać się poza granicę zwaną horyzontem zdarzeń. Gdy dwie czarne dziury krążą wokół siebie, stopniowo tracą energię i zbliżają się do siebie, aż dochodzi do połączenia.
Takie wydarzenia zostały po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowane dzięki detektorom fal grawitacyjnych. Urządzenia te nie „widzą” czarnych dziur w tradycyjny sposób, lecz rejestrują niewielkie zmiany długości przestrzeni wywołane przechodzeniem fal grawitacyjnych.
Każde zderzenie dostarcza naukowcom ogromnej ilości informacji. Na podstawie kształtu zarejestrowanego sygnału można określić między innymi masę i obrót czarnych dziur przed kolizją oraz właściwości powstałego połączenia.
Do tej pory takie analizy wymagały bardzo skomplikowanych symulacji komputerowych. Fizycy z Penn State zauważyli jednak, że zachowanie układu można opisać za pomocą prostszych zależności wynikających z podstawowych praw fizyki.
Termodynamika pomaga zrozumieć czarne dziury
Jednym z kluczowych pojęć wykorzystanych w badaniu jest entropia – miara uporządkowania lub chaosu w układzie fizycznym. Co zaskakujące, podobne pojęcia można stosować także do czarnych dziur.
Już wcześniej fizycy zauważyli, że czarne dziury mają właściwości przypominające obiekty termodynamiczne. Ich temperatura i entropia są związane z masą oraz powierzchnią horyzontu zdarzeń. Najnowsze badanie rozwija tę ideę, pokazując, że zasady znane z fizyki klasycznej mogą pomóc przewidywać skutki zderzeń obiektów znajdujących się na granicy naszego rozumienia Wszechświata.
Według naukowców nowa metoda nie zastąpi szczegółowych symulacji, ale może stać się szybkim narzędziem pozwalającym sprawdzać wyniki obserwacji i lepiej interpretować dane pochodzące z detektorów fal grawitacyjnych.
Odkrycie ma znaczenie również dla przyszłych badań kosmosu. W miarę jak obserwatoria stają się coraz bardziej czułe, naukowcy będą rejestrować coraz więcej zderzeń czarnych dziur. Prostsze modele pozwolą szybciej analizować ogromną liczbę takich zdarzeń.
Badanie pokazuje, że nawet najbardziej tajemnicze obiekty we Wszechświecie nie muszą być całkowicie nieprzewidywalne. Za pozornym chaosem kosmicznych katastrof może kryć się elegancki matematyczny porządek.
Źródło: Penn State University
Czytaj też: Gwiazda eksplodowała, ona wciąż tam jest. Niezwykłe odkrycie teleskopu Webba rzuca wyzwanie nauce
Grafika tytułowa: Jad Limcaco / Unsplash
