Nowe badania sugerują, że przyszłe obrazy czarnych dziur o wysokiej rozdzielczości mogą ostatecznie określić, czy ogólna teoria grawitacji Alberta Einsteina dokładnie opisuje te kosmiczne obiekty – czy też potrzebne są alternatywne teorie. Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT), który po raz pierwszy wykonał zdjęcia czarnych dziur w latach 2019 i 2022, zapoczątkował nową erę astrofizyki obserwacyjnej. Ale nawet te obrazy, które potwierdzają wiele przewidywań ogólnej teorii względności, zwiększają możliwość wykrycia subtelnych odchyleń, które mogłyby wskazywać na pełniejsze zrozumienie grawitacji.
Cień wątpliwości
EHT nie fotografuje bezpośrednio czarnych dziur. Zamiast tego wychwytuje intensywny blask przegrzanej materii wirującej wokół tych obiektów, tworząc ciemny „cień” wyznaczający horyzont zdarzeń – punkt bez powrotu, gdzie grawitacja staje się nie do powstrzymania. Najnowsze badania sugerują, że szczegółowa analiza tych cieni może ujawnić drobne rozbieżności z przewidywaniami Einsteina.
„Opracowaliśmy sposób porównywania obrazów gorącego gazu wokół czarnych dziur przewidywanych przez ogólną teorię względności z obrazami przewidywanymi przez teorie alternatywne” – wyjaśnia Akhil Uniyal z Shanghai Transport University, główny autor badania. „Realistyczne symulacje pokazują, że nawet niewielkie różnice w grawitacji będą wykrywalne wraz ze wzrostem rozdzielczości obrazu”.
Dziedzictwo Einsteina: zniekształcona czasoprzestrzeń
Ogólna teoria względności Einsteina opublikowana w 1915 roku zrewolucjonizowała nasze rozumienie grawitacji. W przeciwieństwie do Newtonowskiej koncepcji grawitacji jako siły, Einstein zaproponował, że masywne obiekty zniekształcają strukturę przestrzeni i czasu, tworząc obserwowane przez nas efekty grawitacyjne. To zniekształcenie staje się ekstremalne w pobliżu czarnych dziur, gdzie grawitacja jest tak silna, że nawet światło nie może uciec.
Koncepcja czarnych dziur wyłoniła się z równań Einsteina w 1916 roku dzięki pracom Karla Schwarzschilda. Rozwiązania te ujawniły, że w sercu czarnej dziury znajduje się osobliwość – punkt, w którym załamują się prawa fizyki. Osobliwość otacza horyzont zdarzeń – granica, poza którą nic nie może uciec.
Poza Einsteinem: poszukiwanie alternatyw
Chociaż ogólna teoria względności przeszła niezliczone testy, naukowcy od dawna spekulowali, że może to nie być pełna historia. Niektóre alternatywne teorie sugerują, że czarne dziury mogą nie mieć osobliwości lub że można je opisać za pomocą bardziej złożonej fizyki. Teorie te często wymagają egzotycznej materii lub łamania znanych praw.
„Ogólnie rzecz biorąc, istnieją standardowe wirujące czarne dziury opisane w ogólnej teorii względności, a także wiele alternatyw motywowanych różnymi teoriami” – mówi Uniyal. „Wszystkie te alternatywy są bardziej złożone niż te zaproponowane przez Einsteina, ale teoretycznie pozostają wykonalne, dopóki nie zostaną obalone”.
Jak cienie ujawniają prawdę
Kluczem do przetestowania tych alternatyw jest dokładny pomiar cieni czarnych dziur. Małe zaburzenia grawitacji podstawowej doprowadzą do subtelnych zmian w rozmiarze i kształcie cienia, a także w sposobie, w jaki światło załamuje się wokół czarnej dziury.
„Cień czarnej dziury koduje geometrię czasoprzestrzeni bardzo zbliżoną do zwartego obiektu” – wyjaśnia Uniyal. „Małe odchylenia w metryce prowadzą do małych, systematycznych zmian w rozmiarze i kształcie cienia oraz sposobie formowania się wokół niego pierścieni światła”.
Badanie pokazuje, że nawet jeśli różnice między ogólną teorią względności a alternatywnymi teoriami są niewielkie, staną się zauważalne wraz ze wzrostem rozdzielczości obrazu. Naukowcy określili nawet ilościowo te różnice, wyznaczając konkretne cele dla przyszłych obserwatoriów.
Przyszłość obrazów czarnych dziur
Kolejne kroki obejmują poprawę jakości obrazów czarnych dziur poprzez dodanie nowych teleskopów do sieci EHT i badanie interferometrii kosmicznej. Wraz ze wzrostem rozdzielczości wzrośnie zdolność rozróżniania ogólnej teorii względności od teorii alternatywnych.
„Nasze wyniki pokazują, że czymkolwiek są czarne dziury, różnice będą niewielkie, dlatego wymagane będą bardzo precyzyjne pomiary” – mówi Uniyal. „Na szczęście obserwacje te będą możliwe w niezbyt odległej przyszłości”.
Badanie to podkreśla siłę astrofizyki obserwacyjnej w testowaniu podstawowych teorii fizycznych. W miarę ewolucji obrazów czarnych dziur być może wkrótce otrzymamy ostateczną odpowiedź na pytanie, czy teoria Einsteina pozostaje ostatecznym opisem grawitacji.
