Καλλιτεχνική απεικόνιση της συνένωσης των δύο μαύρων τρυπών της καταγραφής GW250114 του πειράματος LIGO, από την οπτική γωνία της μίας από τις τρύπες καθώς πλησιάζει σπειροειδώς την άλλη

Σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύτηκε σε έγκριτο επιστημονικό περιοδικό, οι δύο μαύρες τρύπες είχαν 33 και 32 φορές τη μάζα του Ηλιου αντίστοιχα. Καθώς έπεφταν η μία πάνω στην άλλη και συνενώνονταν, τα βαρυτικά κύματα που δημιουργήθηκαν εξαπλώθηκαν στο σύμπαν προς όλες τις κατευθύνσεις. Το τμήμα των κυμάτων που ανιχνεύτηκε από το LIGO ονομάστηκε GW250114. Μελετώντας τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά αυτού του σήματος οι επιστήμονες μπόρεσαν να προσδιορίσουν τις αρχικές μάζες των μαύρων τρυπών, καθώς και ότι η νέα μαύρη τρύπα που δημιουργήθηκε είχε μάζα 62 φορές τη μάζα του Ηλιου. Τα κύματα αποκάλυψαν επίσης ότι οι αρχικές μαύρες τρύπες είχαν συνολική επιφάνεια 240.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα (κάτι λιγότερο από το διπλάσιο της Ελλάδας), ενώ η τελική μαύρη τρύπα είχε επιφάνεια 400.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα (σχεδόν τρεις φορές όσο η Ελλάδα).

Αυτές οι μετρήσεις επιβεβαίωσαν μια πρόβλεψη που είχε κάνει ο Χόκινγκ το 1971 για τους ορίζοντες γεγονότων των μαύρων τρυπών, δηλαδή τα όρια πέρα από τα οποία τίποτα - ούτε καν το φως - δεν μπορεί να δραπετεύσει από τη βαρυτική τους έλξη. «Ο ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας είναι υπό μία έννοια μέτρο της εντροπίας», ή αταξίας, λέει ο Ντέιβιντ Ριτζ, διευθυντής του LIGO. Και οι νόμοι της θερμοδυναμικής λένε πως η εντροπία μπορεί μόνο να αυξάνεται, ποτέ να μειώνεται. «Υπάρχει μια βαθιά σύνδεση ανάμεσα στις μαύρες τρύπες και στη θερμοδυναμική. Το θεώρημα λέει βασικά ότι αν έχεις δύο μαύρες τρύπες που συνενώνονται για να σχηματίσουν μια μεγαλύτερη μαύρη τρύπα, η συνολική επιφάνεια της τελικής μαύρης τρύπας θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση, αλλά πιθανότερα μεγαλύτερη από το άθροισμα των επιφανειών των αρχικών». Τώρα, για πρώτη φορά, οι ερευνητές έχουν ακριβείς μετρήσεις που αποδεικνύουν το θεώρημα.

Επιβεβαιώνουν επίσης το θεώρημα «χωρίς τρίχες», που προβλέπει ότι οι μαύρες τρύπες είναι θεμελιωδώς απλά αντικείμενα, χωρίς προεξοχές και άλλα τέτοια χαρακτηριστικά. Μπορούν να περιγραφούν μόνο από δύο αριθμούς: Τη μάζα τους και την περιστροφική τους κίνηση. Ολες οι μαύρες τρύπες με την ίδια μάζα και την ίδια περιστροφική κίνηση πρέπει να είναι ακριβώς ίδιες, χωρίς κανένα χαρακτηριστικό που να τις διακρίνει μεταξύ τους. Ολη η πληροφορία που σχετίζεται με ό,τι πέφτει μέσα σε μια μαύρη τρύπα - οι «τρίχες» - χάνεται πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων. «Επειδή μπορούν να περιγραφούν μόνο από δύο αριθμούς, αυτό σημαίνει πως οτιδήποτε μπορείς να μετρήσεις σχετικά με αυτές μπορεί να περιγραφεί με αυτούς τους δύο αριθμούς», λέει η Κατερίνα Χατζηϊωάννου, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια και μία από τους συγγραφείς της νέας μελέτης. «Αυτό το σήμα μάς επέτρεψε για πρώτη φορά να μετρήσουμε κάτι που μπορεί να περιγραφεί από αυτούς τους αριθμούς».

Το σήμα του βαρυτικού κύματος έδειξε ότι το αντικείμενο που απέμεινε μετά τη σύγκρουση ταιριάζει απόλυτα στη θεωρητική κατασκευή που ονομάζεται μετρική Κερ και η οποία περιγράφει την περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα μέσα στο πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, του Αλμπερτ Αϊνστάιν. «Επιβεβαιώνοντας αυτό (σ.σ. τη μετρική Κερ) επιβεβαιώνεται ότι το τελικό πράγμα που σχηματίζεται είναι μια μαύρη τρύπα» και όχι κάτι άλλο που μιμείται τα χαρακτηριστικά της μαύρης τρύπας, όπως προβλέπουν ορισμένες από τις επεκτάσεις της θεωρίας του Αϊνστάιν, σημειώνει ο Εντγκαρ Σανγκούλιαν, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ.

Οι ερευνητές είχαν προσπαθήσει και στο παρελθόν να ελέγξουν αυτές τις προβλέψεις, με άλλες καταγραφές βαρυτικών κυμάτων, αλλά τα συγκριτικά λιγότερο ισχυρά σήματα ενείχαν μεγάλη αβεβαιότητα ως προς τα συμπεράσματα. Αν η ανάλυση του σήματος GW250114 έδειχνε παραβίαση είτε του θεωρήματος του εμβαδού της επιφάνειας των μαύρων τρυπών είτε της μετρικής Κερ, τότε ή θα έπρεπε να τροποποιηθεί η Γενική Σχετικότητα ή το αντικείμενο που προέκυψε δεν θα ήταν μαύρη τρύπα.

Η ανακοίνωση του LIGO για το σήμα GW250114 ήρθε ακριβώς 10 χρόνια μετά την πρώτη καταγραφή βαρυτικών κυμάτων από αυτήν την πειραματική διάταξη. Η ακρίβεια των πρόσφατων μετρήσεων έγινε εφικτή μόνο αφότου οι επιστήμονες τροποποίησαν και ρύθμισαν το LIGO, ώστε να είναι 4 φορές πιο ευαίσθητο απ' ό,τι όταν άρχισε να λειτουργεί. Μπορεί τώρα να εντοπίσει παραμορφώσεις του χωροχρόνου μικρότερες από το ένα δέκατο της διαμέτρου του πρωτονίου.

Το LIGO ανιχνεύει τα βαρυτικά κύματα παρατηρώντας μικροσκοπικές αλλαγές στο μήκος δύο βραχιόνων με κοινή κορυφή, τοποθετημένων κάθετα μεταξύ τους. Κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 χιλιομέτρων και εξαιρετικά ακριβή ρολόγια μετρούν τον χρόνο που κάνει το φως να ταξιδέψει αυτήν την απόσταση. Αν ένα βαρυτικό κύμα περάσει μέσα από τη Γη το μήκος ενός από τους βραχίονες θα εκταθεί, ενώ του κάθετου σε αυτόν βραχίονα θα συμπτυχθεί. Για να διακρίνονται τα βαρυτικά κύματα από τις τοπικές δονήσεις, όπως οι σεισμοί, τα μεγάλα ωκεάνια κύματα που σκάνε στην ακτή, ακόμα και την κυκλοφορία βαριών οχημάτων σε κοντινούς δρόμους, το LIGO έχει δύο εγκαταστάσεις σε διαφορετικές Πολιτείες των ΗΠΑ. Μαζί με τις αντίστοιχες διατάξεις Virgo στην Ιταλία και KAGRA στην Ιαπωνία, τα τρία παρατηρητήρια έχουν καταγράψει σήματα από 300 υποψήφιες συνενώσεις μαύρων τρυπών, ανιχνεύοντας μια συνένωση περίπου κάθε τρεις μέρες. Πρόσφατη πρόταση της αμερικανικής κυβέρνησης προς το Κογκρέσο των ΗΠΑ προβλέπει το κλείσιμο ενός από τους δύο σταθμούς του LIGO, που ουσιαστικά θα αχρηστεύσει το LIGO στο σύνολό του, δίνοντας ισχυρό χτύπημα στην αστρονομία βαρυτικών κυμάτων τώρα, που βρίσκει τον ρυθμό της και δίνει πολύτιμα στοιχεία και πειραματικές επιβεβαιώσεις θεωρημάτων.

Τα πρώτα χρόνια της δεκαετίας του 1960 οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ένα «τέρας». Κάτι στον αστερισμό της Παρθένου εξέπεμπε ραδιοκύματα, αλλά τίποτα δεν φαινόταν να υπάρχει εκεί στο ορατό τμήμα του φάσματος. Αργότερα, με κάποιες έξυπνες τεχνικές, εντόπισαν ένα αχνό γαλάζιο «άστρο» που βρισκόταν στη θέση της πηγής των ραδιοκυμάτων. Τελικά συμπέραναν ότι αυτό το αντικείμενο, στο οποίο είχαν δώσει το όνομα 3C 273, δεν ήταν άστρο αλλά κάτι πολύ πιο παράξενο, δύο δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη.

Για να είναι ορατό από τόσο μακριά αυτό το «quasi-stellar» (ημιαστρικό) αντικείμενο, που ονομάστηκε κβάζαρ για συντομία, έπρεπε να είναι εξαιρετικά λαμπρό. Δεν μπορούσε να είναι τίποτα άλλο από μια μαύρη τρύπα με μάζα 900 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ηλιου, στο κέντρο ενός μακρινού γαλαξία.

Από τότε έχουμε εντοπίσει πολλές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Ηδη από το 1980 οι αστρονόμοι άρχισαν να αντιλαμβάνονται ότι κάθε μεγάλος γαλαξίας είχε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του, πράγμα που αποδείχθηκε από τις παρατηρήσεις του Διαστημικού Τηλεσκοπίου Χαμπλ και άλλων παρατηρητηρίων. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να υπάρχουν ένα τρισεκατομμύριο τέτοιοι γίγαντες μόνο στο παρατηρήσιμο τμήμα του σύμπαντος. Μερικές βρέθηκε ότι έχουν ένα δισεκατομμύριο φορές τη μάζα του Ηλιου. Αλλά πόσο μεγάλες μπορεί να γίνουν τελικά οι μαύρες τρύπες;

Οι αστρονομικές παρατηρήσεις - που βέβαια στηρίζονται σε έμμεσα στοιχεία και με μια αμφιβολία για το σύνολο των φυσικών νόμων που επιδρούν στα φαινόμενα - δείχνουν ότι η μάζα τους μπορεί να φτάσει μερικές δεκάδες δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, δηλαδή όσο ένας μικρός γαλαξίας. Μόνο μια χούφτα τέτοιων μαύρων τρυπών, υπερβαρέων βαρών, είναι γνωστές.

Σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύτηκε το 2015, κάτω από δυνατές αλλά απίθανες συνθήκες το ανώτερο θεωρητικό όριο μιας μαύρης τρύπας που διαρκώς συσσωρεύει μάζα καταπίνοντας άστρα, νεφελώματα και μικρότερες μαύρες τρύπες θα ήταν 270 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, αλλά το πιθανότερο μέγιστο μέγεθος που θα εντοπίσουμε είναι μόνο 50 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, όσο δηλαδή έχουμε ήδη βρει. Οι υπολογισμοί αυτοί παίρνουν υπόψη τα φυσικά χαρακτηριστικά του δίσκου συσσώρευσης, που τροφοδοτεί με νέα μάζα τις μαύρες τρύπες και πέρα από ένα μέγεθος αρχίζει να διώχνει μακριά την επιπλέον ύλη και τον χρόνο που είχαν διαθέσιμα οι μαύρες τρύπες στο παρατηρήσιμο τμήμα του σύμπαντος για να καταβροχθίσουν υλικό.

Βεβαίως, η φυσική πραγματικότητα μπορεί να μας διαψεύσει και να εντοπίσουμε κάτι ακόμα πιο θηριώδες σε μέγεθος. Τότε οι επιστήμονες θα επανεξετάσουν τους υπολογισμούς και τις εικασίες που έκαναν, για να δουν τι τους ξέφυγε. Ετσι μεγαλώνει η γνώση μας για τον κόσμο, και σε αυτό τίποτα δεν δείχνει ότι υπάρχει ανώτατο όριο.