Οταν ακόμα στη Γη υπήρχαν μόνο μικρόβια, δύο μαύρες τρύπες, περίπου 1,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από το ηλιακό σύστημα, «χόρευαν» σπειροειδώς η μία γύρω από την άλλη, μέχρι που συγκρούστηκαν. Από τη συνένωσή τους προέκυψε μια μεγάλη μαύρη τρύπα, που αντήχησε στα βάθη του χωροχρόνου, μέσω των βαρυτικών κυμάτων που εξέπεμψε. Αυτές οι αναταράξεις έφτασαν τελικά στη Γη τον Γενάρη του 2025, όπου και καταγράφηκαν στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ, γνωστότερο από τα αρχικά του ως LIGO, το πιο ακριβές πείραμα απευθείας μέτρησης των βαρυτικών κυμάτων που έχει κατασκευάσει μέχρι τώρα ο άνθρωπος. Αυτές οι μετρήσεις επιβεβαίωσαν ένα θεώρημα που διατύπωσε πριν 54 χρόνια ο μεγάλος φυσικός Στίβεν Χόκινγκ, για τον τρόπο που μεγαλώνουν οι μαύρες τρύπες όταν αυξάνεται η μάζα τους. Τα κύματα επιβεβαίωσαν επίσης μια παράξενη ιδιότητα των μαύρων τρυπών, γνωστή ως το θεώρημα «χωρίς τρίχες».

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.