Nowe dowody na twierdzenie Hawkinga

Międzynarodowa sieć naukowców LVK, w której działa troje badaczy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, potwierdziła teorię Stephena Hawkinga o niezmniejszaniu się całkowitej powierzchni czarnych dziur – podało NCBJ. Stało się to dziesięć lat po zarejestrowanej detekcji fal grawitacyjnych.

Nowe badania ujawniły kolejne sekrety czarnych dziur

.To dla mnie ogromna satysfakcja, że po latach pracy możemy potwierdzić jedno z najważniejszych przewidywań Stephena Hawkinga. Fale grawitacyjne otworzyły nam nowe okno na Wszechświat, a teraz pozwalają również weryfikować fundamentalne prawa fizyki czarnych dziur. Cieszę się, że wraz z zespołem z Narodowego Centrum Badań Jądrowych i grupy Polgraw–Virgo mogliśmy wnieść wkład w to przełomowe odkrycie” – powiedział prof. Andrzej Królak z Zakładu Astrofizyki Narodowego Centrum Badań Jądrowych, cytowany w komunikacie NCBJ.

Prof. Królak wraz z dr. Orestem Doroshem oraz dr. Sreekanthem Harikumarem z Zakładu Astrofizyki Narodowego Centrum Badań Jądrowych są członkami grupy Polgraw-Vigro, która dokonała tego odkrycia, współpracując z zespołem LVK.

Dziesięć lat wcześniej, 14 września 2015 roku, do Ziemi dotarł bardzo słaby sygnał, który wędrował przez kosmos 1,3 miliarda lat. „Nie był to sygnał świetlny, lecz subtelne drganie samej czasoprzestrzeni – fale grawitacyjne, po raz pierwszy przewidziane przez Alberta Einsteina sto lat wcześniej. Tego dnia bliźniacze detektory Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) zarejestrowały pierwsze bezpośrednie dowody na istnienie fal grawitacyjnych — odkrycie ogłoszone światu w lutym 2016 roku” – przypomniano w komunikacie.

Od tamtego czasu detektory LIGO w Hanford (Waszyngton, USA) i Livingston (Luizjana, USA), wraz z detektorem Virgo we Włoszech i KAGRA w Japonii, utworzyły międzynarodową sieć, znaną jako LVK (LIGO–Virgo–KAGRA).

Wraz z zespołem z Narodowego Centrum Badań Jądrowych i grupy Polgraw–Virgo mogliśmy wnieść wkład w to przełomowe odkrycie [Prof. Andrzej Królak w komunikacie NCBJ]

.Jak podało NCBJ, obecnie w ramach tej współpracy rejestrowane jest średnio jedno zderzenie czarnych dziur co trzy dni. Do dziś sieć zaobserwowała ponad 300 kolizji czarnych dziur, z których wiele zostało już potwierdzonych, a pozostałe czekają na analizę. W trakcie czwartej serii pomiarów LVK zidentyfikowała około 230 kandydatów na zderzenia. To ponad dwa razy więcej niż w trzech pierwszych seriach łącznie.

W komunikacie zwrócono uwagę, że ogromny postęp w czułości detektorów obrazuje właśnie najnowsze odkrycie GW250114 (zarejestrowane 14 stycznia 2025 r.). „Podobnie jak w przypadku pierwszej detekcji GW150914, zdarzenie to dotyczyło dwóch czarnych dziur o masach około 30–40 mas Słońca, które zderzyły się w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Jednak dzięki dekadzie udoskonaleń technologicznych, zmniejszających szumy instrumentalne, nowy sygnał jest znacznie wyraźniejszy i pozwala na dokładniejsze pomiary” – wskazało NCBJ.

W najnowszym artykule z 10 września br. zespół LVK poinformował, że to zdarzenie dostarczyło najsilniejszych, jak dotąd, obserwacyjnych dowodów na twierdzenie Stephena Hawkinga o powierzchni czarnej dziury.

Zostało one sformułowane po raz pierwszy w 1971 r. i głosi, że całkowita powierzchnia czarnych dziur nie może się zmniejszać. Podczas zderzenia czarne dziury tracą energię w postaci fal grawitacyjnych, a jednocześnie mogą zwiększyć swój spin, czyli wewnętrzny moment pędu, co mogłoby zmniejszyć powierzchnię. Jednak twierdzenie przewiduje, że pomimo tych czynników połączona czarna dziura zawsze będzie miała większą powierzchnię niż suma powierzchni czarnych dziur sprzed zderzenia.

„GW250114 potwierdza tę prognozę z bezprecedensową precyzją. Prof. Królak uogólnił to twierdzenie, obejmując nim również przypadki kosmologiczne” – zaznaczono w komunikacie.

Naukowcy poszukują „lekkiej” ciemnej materii

.Badacze usprawnili detektor fotonów, dzięki któremu „lekka” ciemna materia – o masie mniejszej niż znane cząsteczki elementarne – będzie mogła zostać wykryta.

Naukowcy uważają, że około 80 proc. masy Wszechświata składa się z ciemnej materii, jednak wciąż niewiele wiadomo na temat jej składu i struktury cząstek, z których się składa. Aby zbadać tę nieuchwytną substancję, badacze próbują wychwycić fotony, czyli cząstki światła, które powstają podczas zderzenia cząstek ciemnej materii ze zwykłą materią.

Większość dotychczasowych eksperymentów koncentrowała się na cząstkach ciemnej materii o masach mniej więcej pokrywających się z masami znanych cząstek elementarnych. Jeśli jednak cząstki są lżejsze od elektronu, jest mało prawdopodobne, aby można je było wykryć przy użyciu obecnych standardowych detektorów opartych na ciekłym ksenonie. Jak dotąd żadnemu eksperymentowi nie udało się bezpośrednio wykryć ciemnej materii. Jest to jednak samo w sobie ważne odkrycie, ponieważ wskazuje, że jej cząstki nie istnieją w badanym zakresie mas i siły oddziaływania.

Naukowcy University of Zurich, pod kierownictwem Laury Baudis, Titusa Neupert, Björna Penninga i Andreasa Schillinga, w ramach nowego badania poszukiwali cząstek ciemnej materii w szerokim zakresie mas poniżej jednego megaelektronowolta (MeV). Korzystając z ulepszonego nadprzewodzącego detektora pojedynczych fotonów z nanodrutami (superconducting nanowire single-photon detector – SNSPD), naukowcy osiągnęli próg czułości wynoszący około jednej dziesiątej masy elektronu, powyżej którego istnienie cząstek ciemnej materii jest bardzo mało prawdopodobne. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

„Po raz pierwszy udało nam się poszukiwać cząstek ciemnej materii w tak niskim zakresie mas, co było możliwe dzięki ulepszonemu detektorowi” – mówi Laur Baudis z University of Zurich.

Urządzenie SNSPD jest bardzo czułe na fotony o niższej energii – kiedy cząsteczka uderza w nanodrut, powoduje jego niewielkie nagrzanie i natychmiastową utratę nadprzewodnictwa. Drut na krótko staje się zwykłym przewodnikiem, a badacze mogą zmierzyć wzrost oporu elektrycznego.

W ramach najnowszego eksperymentu naukowcy zoptymalizowali urządzenie SNSPD, aby „lekka” ciemna materia mogła zostać przez nie wykryta. Wyposażyli je w nadprzewodzące mikrowłókna zamiast nanodrutów, aby zmaksymalizować jego przekrój czynny (wielkość fizyczna stosowana w statystycznym opisie zderzeń cząstek bądź obiektów). Nadali mu również cienką, płaską geometrię, która sprawia, że jest ono bardzo wrażliwe na zmiany kierunku. Naukowcy zakładają, że Ziemia przechodzi przez „wiatr” cząstek ciemnej materii, którego nachylenie zmienia się w ciągu roku. Urządzenie skonstruowane może pomóc w odfiltrowaniu zdarzeń niezwiązanych z ciemną materią.

Tekst dostępny na łamach Wszystko co Najważniejsze: https://wszystkoconajwazniejsze.pl/pepites/naukowcy-poszukuja-lekkiej-ciemnej-materii

PAP/MB