Είναι δυνατή η ανίχνευση μαύρων τρυπών που έχουν «μαλλιά»; In Violation of Einstein, Black Holes Might Have ‘Hair’

Σύμφωνα με μια νέα δημοσίευση, οι σχεδόν ακραίες περιπτώσεις μαύρων τρυπών που παραβιάζουν το θεώρημα “no-hair” (όπως είχε προτείνει ο Στέφανος Αρετάκης), θα μπορούσαν να ανιχνευθούν από τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων. Σύμφωνα με την γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, οι μαύρες τρύπες έχουν μόνο τρεις παρατηρήσιμες ιδιότητες: μάζα, σπιν και ηλεκτρικό φορτίο. Δεν υπάρχουν επιπλέον ιδιότητες ή «τρίχες». A new study shows that extreme black holes could break the famous “no-hair” theorem, and in a way that we could detect. According to Einstein’s general theory of relativity, black holes have only three observable properties: mass, spin and charge. Additional properties, or “hair,” do not exist. Andriy_A / Shutterstock

Εκτός από το όνομά τους οι μαύρες τρύπες οφείλουν στον John Wheeler και το ρητό που λέει: ότι «οι μαύρες τρύπες δεν έχουν τρίχες!», (για την ακρίβεια η εικασία no-hair διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τους John Wheeler και Remo Ruffini to 1971 στο Physics Today).

Αυτό που ήθελε να πει o Wheeler με το ότι «δεν έχουν τρίχες ή μαλλιά» ήταν ότι οι μαύρες τρύπες δεν έχουν κάποια παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά, όπως εξογκώματα, ανομοιομορφίες κ.λπ. Όταν μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται από την κατάρρευση ενός άστρου, ο ορίζοντας των γεγονότων της καταλήγει σε ένα τέλειο σφαιρικό σχήμα χωρίς κανένα χαρακτηριστικό. Οι μαύρες τρύπες χαρακτηρίζονται από την μάζα, την ιδιο-στροφορμή και το ηλεκτρικό φορτίο τους. Εάν αυτές οι τιμές είναι ίδιες για οποιεσδήποτε δύο μαύρες τρύπες, είναι αδύνατο να τις ξεχωρίσουμε μεταξύ τους. Αυτό εννοούν όταν λένε πως οι μαύρες τρύπες δεν έχουν μαλλιά (ή τρίχες). «Στην κλασική γενική σχετικότητα, θα ήταν εντελώς ταυτόσημες», λέει ο Paul Chesler, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. «Δεν μπορείς να βρεις καμία διαφορά.»

In 2012, a mathematician named Stefanos Aretakis — then at the University of Cambridge and now at the University of Toronto — suggested that some black holes might have instabilities on their event horizons.

Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν αρχίσει να αναρωτιούνται αν το «θεώρημα χωρίς τρίχες» είναι αυστηρά αληθές. Το 2012, o Στέφανος Αρετάκης – τότε στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ και τώρα στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο – πρότεινε ότι ορισμένες μαύρες τρύπες ενδέχεται να έχουν αστάθειες (βλέπε και ‘Ευστάθεια και αστάθεια των ακραίων μελανών οπών‘) στους ορίζοντες των γεγονότων τους. Αυτές οι αστάθειες θα είχαν ως αποτέλεσμα σε ορισμένες περιοχές του ορίζοντα μια ισχυρότερη βαρυτική έλξη σε σχέση με άλλες. Αυτό θα έκανε τις θεωρούμενες ως εντελώς ταυτόσημες μαύρες τρύπες, να διαφέρουν μεταξύ τους.

Ωστόσο, οι εξισώσεις του έδειξαν ότι αυτό ήταν δυνατό μόνο για τις λεγόμενες ακραίες (extremal) μαύρες τρύπες – αυτές που έχουν την μέγιστη δυνατή τιμή είτε μάζας, ιδιοπεριστροφής είτε φορτίου. Και από όσο γνωρίζουμε, «αυτές οι μαύρες τρύπες δεν μπορούν να υπάρχουν στη φύση», σύμφωνα με τον Chesler.

Τι γίνεται όμως αν υπήρχε μια σχεδόν extremal μαύρη τρύπα, μια μαύρη τρύπα που πλησίαζε μεν αυτές τις ακραίες τιμές, αλλά δεν τις έφτανε; Μια τέτοια μαύρη τρύπα είναι δυνατόν να υπάρξει, τουλάχιστον θεωρητικά. Θα μπορούσε όμως να διαθέτει ανιχνεύσιμες παραβιάσεις του θεωρήματος no-hair;

Dr. Lior Burko of Theiss Research in collaboration with Professor Gaurav Khanna of the University of Massachusetts Dartmouth and the University of Rhode Island alongside his former student Dr. Subir Sabharwal discovered that a special kind of black hole violates black hole uniqueness, the so-called “no hair” theorem. Specifically, the team studied extremal black holes — holes that are “saturated” with the maximum charge or spin they can possibly carry. Artist’s conception of a rotating black hole accreting matter via an accretion disk and emitting a jet. Credit: NASA/JPL-Caltech

Μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον περασμένο μήνα δείχνει ότι θα μπορούσε. Επιπλέον, αυτά «τα μαλλιά» θα μπορούσαν να ανιχνευθούν από ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων.

«Ο Αρετάκης βασικά υπέδειξε ότι υπήρχαν κάποιες πληροφορίες που είχαν μείνει στον ορίζοντα», λέει ο Gaurav Khanna, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης και στο Πανεπιστήμιο του Rhode Island. «Η δημοσίευσή μας αποκαλύπτει την δυνατότητα μέτρησης αυτών των ‘μαλλιών’.»

Συγκεκριμένα, προτείνεται ότι τα υπολείμματα διαταραχών είτε κατά τον σχηματισμό της μαύρης τρύπας είτε μεταγενέστερων διαταραχών, π.χ. από την ύλη που πέφτει στην μαύρη τρύπα, θα μπορούσαν να δημιουργήσουν βαρυτικές αστάθειες στον (ή κοντά στον) ορίζοντα των γεγονότων μιας σχεδόν ακραίας μαύρης τρύπας. «Περιμένουμε ότι το βαρυτικό σήμα που θα δούμε θα είναι πολύ διαφορετικό σε σχέση με το σήμα που οφείλεται σε συνηθισμένες μαύρες τρύπες», σύμφωνα με τον Khanna.

In a landmark series of calculations, physicists have proved that black holes can shed information, which seems impossible by definition. The work appears to resolve a paradox that Stephen Hawking first described five decades ago. Ashley Mackenzie for Quanta Magazine

Αν οι μαύρες τρύπες έχουν τρίχες – διατηρώντας έτσι κάποιες πληροφορίες για το παρελθόν τους – αυτό θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις στο περίφημο παράδοξο της πληροφορίας για τις μαύρες τρύπες που διατύπωσε ο Stephen Hawking, δηλώνει η Lia Medeiros, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον. Αυτό το παράδοξο είναι το απόσταγμα της θεμελιώδους σύγκρουσης μεταξύ της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής, τους δύο μεγάλους πυλώνες της φυσικής του 20ου αιώνα. «Εάν παραβιάσετε μία από τις παραδοχές [του παράδοξου της πληροφορίας], ίσως να μπορείτε να λύσετε το ίδιο το παράδοξο», δήλωσε η Medeiros. «Μία από τις παραδοχές είναι το no hair θεώρημα.»

The 2017 observations from the Event Horizon Telescope (EHT) of M87*, a 6.5-billion-solar-mass black hole in the center of the giant elliptical galaxy Messier 87, have led to the first measurement of the size of a black-hole shadow. Based on an analysis of M87*’s shadow, the EHT researchers have now conducted a unique test of general relativity, deepening understanding about the unusual properties of black holes and ruling out many alternatives. Visualization of the new gauge developed to test the predictions of modified gravity theories against the measurement of the size of M87*’s shadow. Image credit: D. Psaltis, University of Arizona / EHT Collaboration.

Οι συνέπειες αυτού θα μπορούσαν να είναι μεγάλες. «Εάν μπορούμε να αποδείξουμε ότι ο πραγματικός χωροχρόνος της μαύρης τρύπας έξω από τη μαύρη τρύπα είναι διαφορετικός από αυτό που περιμένουμε, τότε νομίζω πως αυτό θα έχει πραγματικά τεράστιες επιπτώσεις στη γενική σχετικότητα», δήλωσε η Medeiros, που συμμετέχει στην δημοσίευση των Δημήτριος Ψάλτης και λοιποί του περασμένου Οκτωβρίου, στην οποία εξετάζεται αν η παρατηρούμενη γεωμετρία των μαύρων οπών είναι σύμφωνη με τις προβλέψεις.

Three color animation showing results of an M87 simulation, red shows emission at long radio wavelengths, blue shows emission at 1.3mm (the wavelength the EHT uses), and green shows emission at 0.87 mm wavelengths. Credit: Lia Medeiros, IAS, BH PIRE

Ίσως η πιο συναρπαστική πτυχή αυτής της τελευταίας εργασίας, είναι ότι υποδεικνύει έναν τρόπο για να συνδέσουμε τις παρατηρήσεις των μαύρων οπών με τη θεμελιώδη φυσική. Η ανίχνευση τριχών σε μαύρες τρύπες – ίσως τα πιο ακραία αστροφυσικά εργαστήρια στο σύμπαν – θα μπορούσε να μας επιτρέψει να διερευνήσουμε ιδέες όπως η θεωρία χορδών και η κβαντική βαρύτητα με έναν τρόπο που ήταν αδύνατος μέχρι σήμερα.

«Ένα από τα μεγάλα ζητήματα [με] την θεωρία χορδών και την κβαντική βαρύτητα είναι ότι είναι πολύ δύσκολο να επιβεβαιώσουμε πειραματικά τις προβλέψεις τους», δήλωσε η Medeiros. «Έτσι, αν διαθέταμε κάτι που μπορεί να ελεγχθεί από απόσταση, αυτό θα ήταν καταπληκτικό.»

Ωστόσο, υπάρχουν μεγάλες δυσκολίες. Δεν είναι βέβαιο ότι υπάρχουν σχεδόν-ακραίες μαύρες τρύπες. (Οι τυπικές προσομοιώσεις συνήθως παράγουν μαύρες τρύπες που απέχουν 30% από το να είναι ακραίες). Και αν ακόμα υπάρχουν, δεν είναι ξεκάθαρο ότι οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα ήταν αρκετά ευαίσθητοι για να εντοπίσουν αυτές τις αστάθειες από τα μαλλιά. Επιπλέον, τα μαλλιά αναμένεται να είναι εξαιρετικά βραχύβια, διαρκούν μόνο κλάσματα του δευτερολέπτου.

Αλλά η δημοσιευμένη εργασία, τουλάχιστον θεωρητικά, φαίνεται σωστή. «Δεν νομίζω ότι υπάρχει κάποιος στην επιστημονική κοινότητα που αμφιβάλλει», λέει ο Chesler. «Δεν είναι εικασία. Μάλλον φαίνεται πως οι εξισώσεις του Αϊνστάιν είναι τόσο περίπλοκες που ανακαλύπτουμε νέες ιδιότητές τους σε ετήσια βάση. »

Το επόμενο βήμα θα ήταν να δούμε τι είδους σήματα και με ποιά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους θα πρέπει να αναζητούμε στους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που λειτουργούν σήμερα ή στο μέλλον (π.χ. LISA).

Ενώ οι πιθανότητες μιας τέτοιας ανίχνευσης είναι μικρές, μια τέτοια ανακάλυψη όχι μόνο θα αμφισβητούσε την θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, αλλά θα αποδείκνυε την ύπαρξη σχεδόν- ακραίων μαύρων τρυπών. Σύμφωνα με τον Khanna, «πέρα από τις δραματικές επιπτώσεις που θα είχε στην έρευνά μας, θα θέλαμε πολύ να μάθουμε αν η φύση επιτρέπει την ύπαρξη ενός τέτοιου θηρίου».

Πηγές: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.141104 - https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.L021502 - https://www.quantamagazine.org/in-violation-of-einstein-black-holes-might-have-hair-20210211/ - https://physicsgg.me/2021/02/17/