Το πιο ισχυρό βαρυτικό σήμα μέχρι σήμερα επιβεβαιώνει τον κανόνα του Στίβεν Χόκινγκ για τις μαύρες τρύπες

Το ισχυρότερο μέχρι σήμερα βαρυτικό κύμα που έχει καταγραφεί έδωσε στους αστρονόμους τη δυνατότητα να ελέγξουν με πρωτοφανή ακρίβεια έναν από τους πιο θεμελιώδεις κανόνες της σύγχρονης φυσικής: ότι η συνολική επιφάνεια των μαύρων τρυπών δεν μπορεί ποτέ να μειώνεται.

Το σήμα, με την ονομασία GW250114, προήλθε από τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών σε απόσταση άνω του ενός δισεκατομμυρίου ετών φωτός και επιβεβαίωσε με βεβαιότητα 99,999% ότι μετά τη συγχώνευση η συνολική τους επιφάνεια αυξήθηκε, όπως είχε προβλέψει ο Στίβεν Χόκινγκ το 1971.

Σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters το βαρυτικό αυτό «ίχνος» ανιχνεύθηκε τον Ιανουάριο του 2025 από τους δίδυμους ανιχνευτές LIGO στις Ηνωμένες Πολιτείες. Στη συνέχεια, η διεθνής συνεργασία LIGO–Virgo–KAGRA ανέλυσε λεπτομερώς τα δεδομένα και παρουσίασε τα αποτελέσματα σε νέα μελέτη, βασισμένη στην υπόθεση του Χόκινγκ ότι κατά τη συγχώνευση μαύρων τρυπών η συνολική επιφάνειά τους μπορεί μόνο να αυξηθεί και ποτέ να συρρικνωθεί.

Η καταγραφή αυτή εντάσσεται στη νέα εποχή της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων, η οποία ξεκίνησε το 2015, όταν το LIGO ανίχνευσε για πρώτη φορά καθαρό σήμα από συγχώνευση μαύρων τρυπών. Τα βαρυτικά κύματα είναι ρυτιδώσεις του ίδιου του χωροχρόνου, που δημιουργούνται όταν τεράστια κοσμικά αντικείμενα συγκρούονται. Για την ανίχνευσή τους έχουν κατασκευαστεί τεράστιοι ανιχνευτές λέιζερ σε σχήμα L, με βραχίονες μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων, ικανοί να μετρούν μεταβολές μικρότερες από το μέγεθος ενός πρωτονίου.

Η νέα μέτρηση αποτελεί σημαντική αναβάθμιση σε σχέση με προηγούμενες προσπάθειες. Το 2021, οι επιστήμονες είχαν χρησιμοποιήσει το πρώτο ιστορικό σήμα GW150914 για να ελέγξουν τον ίδιο κανόνα, καταλήγοντας σε επιβεβαίωση με πιθανότητα περίπου 95%. Το GW250114, όμως, ήταν περίπου δύο φορές ισχυρότερο από κάθε προηγούμενο σήμα, επιτρέποντας πολύ ακριβέστερους υπολογισμούς για τις μάζες και τις περιστροφές των μαύρων τρυπών πριν και μετά τη σύγκρουση.

Σύμφωνα με τα δεδομένα, πριν από τη συγχώνευση οι δύο μαύρες τρύπες είχαν συνολική επιφάνεια ορίζοντα περίπου 240.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων, έκταση συγκρίσιμη με αυτήν του Όρεγκον. Μετά τη σύγκρουση, η επιφάνεια της νέας μαύρης τρύπας αυξήθηκε σε περίπου 400.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα, μέγεθος κοντά σε αυτό της Καλιφόρνιας. Η πιθανότητα παραβίασης του κανόνα του Χόκινγκ υπολογίστηκε σε λιγότερο από μία στις εκατό χιλιάδες.

Το σήμα της συγχώνευσης είχε δύο διακριτά στάδια: αρχικά την «έλικα» (inspiral), όπου οι δύο μαύρες τρύπες περιστρέφονται ολοένα και πιο γρήγορα η μία γύρω από την άλλη, και στη συνέχεια το «κουδούνισμα» (ringdown), καθώς η νέα μαύρη τρύπα σταθεροποιείται. Στην περίπτωση του GW250114, οι επιστήμονες μπόρεσαν να διακρίνουν καθαρά δύο διαφορετικούς τόνους σε αυτή τη φάση, στοιχείο που επέτρεψε τον ακριβή προσδιορισμό των χαρακτηριστικών της τελικής μαύρης τρύπας και συμφωνεί με τις προβλέψεις της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Η σημασία του αποτελέσματος δεν περιορίζεται σε μια αφηρημένη κοσμολογική λεπτομέρεια. Ο Χόκινγκ και ο Τζέικομπ Μπέκενσταϊν είχαν υποστηρίξει ότι η επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας συνδέεται με την εντροπία της, δηλαδή με ένα μέτρο της κοσμικής «αταξίας». Αν η επιφάνεια δεν μειώνεται ποτέ, τότε ούτε η εντροπία μειώνεται, σε πλήρη αντιστοιχία με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Κάθε ακριβής έλεγχος αυτού του κανόνα αποτελεί, επομένως, δοκιμή για το κατά πόσο η βαρύτητα και η κβαντική φυσική υπακούουν στους ίδιους θεμελιώδεις νόμους, ακόμη και στις πιο ακραίες συνθήκες του σύμπαντος.

Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων καταγράφουν πλέον συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών ή άστρων νετρονίων κάθε λίγες ημέρες, ενώ οι συνεχιζόμενες αναβαθμίσεις αυξάνουν διαρκώς την ευαισθησία τους. Μελλοντικά έργα, όπως το υπόγειο Einstein Telescope στην Ευρώπη και το σχέδιο Cosmic Explorer στις Ηνωμένες Πολιτείες, φιλοδοξούν να ανιχνεύουν ακόμη πιο μακρινά και αδύναμα σήματα, επιτρέποντας δοκιμές της βαρύτητας σε ακόμη πιο ακραία καθεστώτα.

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters, επιβεβαιώνοντας ότι ακόμη και οι πιο ανεπαίσθητοι «ψίθυροι» του χωροχρόνου μπορούν να μετατραπούν, με τη σωστή τεχνολογία και επιμονή, σε στέρεα επιστημονικά δεδομένα.