Kad se dvije crne rupe spoje, gravitacija doseže razinu na kojoj bi se pukotine u Einsteinovoj slici svemira najlakše mogle pokazati. Upravo zato najnovija analiza signala iz takvih sudara privlači toliku pozornost: opća teorija relativnosti i u tim ekstremnim uvjetima i dalje se savršeno drži, a alternativne teorije gravitacije imaju sve manje prostora.
To samo po sebi nije posve neočekivano. Opća relativnost već je nebrojeno puta položila eksperimentalne i opažačke provjere, od učinaka rotacije masivnih tijela na prostorvrijeme do samog postojanja gravitacijskih valova. Ipak, fizičari odavno znaju da ta teorija nije konačna riječ o prirodi svemira jer na vrlo malim, kvantnim razmjerima više ne daje potpun odgovor. Drugim riječima, svijet atoma i molekula opisuju kvantna pravila, dok je opća relativnost klasična teorija. Upravo u toj napetosti leži potreba za kvantnom teorijom gravitacije.
Najteži ispit za relativnost
Mnogi modeli koji pokušavaju premostiti taj problem polaze od jednostavne pretpostavke: u slabim gravitacijskim poljima ponašaju se gotovo jednako kao opća relativnost, ali bi u blizini crnih rupa ili tijekom njihova sudara mogli pokazati mjerljiva odstupanja. Donedavno je najveći problem bio taj što opažanja nisu bila dovoljno dobra da bi takvu razliku uopće mogla uhvatiti.
To se sada počinje mijenjati. Tri nova rada oslonila su se na podatke iz četvrtog promatračkog ciklusa sustava LIGO–Virgo–KAGRA, dosad najnaprednijeg skupa opažanja sudara crnih rupa. Prvi je ispitao u kojoj se mjeri cjelokupni signal podudara s predviđanjima opće relativnosti. Drugi je tražio moguća odstupanja u parametrima koji omogućuju vrlo preciznu usporedbu opaženog signala s Einsteinovom teorijom. Treći se usredotočio na završnu fazu signala, poznatu kao ringdown, kada se novonastala crna rupa nakon sudara smiruje i prelazi u stabilno stanje.
Zaključak je u sva tri slučaja bio isti. Prva analiza pokazala je da se opažanja, u granicama današnje preciznosti, vrlo dobro slažu s općom relativnošću i da nema potrebe uvoditi drukčiji model gravitacije. To, naravno, ne znači da alternativne teorije ne postoje, nego da za sada nemaju opažačku prednost.
Sve manje prostora za alternative
Drugi rad otišao je korak dalje i dodatno suzio prostor takvim teorijama. U tom se pristupu promatra kako stvarni gravitacijski signal odstupa od jednostavnije Newtonove slike, i to preko niza parametara koji opisuju njegove finije značajke. Novi podaci bili su dovoljno precizni da se provjere dipolni i kvadrupolni doprinosi, a ni ondje nije pronađeno nikakvo odstupanje od opće relativnosti. Time iz igre ispadaju modeli koji bi u takvim sudarima morali ostaviti, primjerice, kvadrupolno odstupanje.
Ta je analiza donijela i još jedan važan rezultat. Budući da se takvi opisi gravitacije mogu kvantizirati, istraživači su iz njih izvukli i novo eksperimentalno ograničenje za masu gravitona, hipotetske čestice koja bi prenosila gravitacijsku silu. Prema općoj relativnosti i osnovnoj kvantnoj teoriji graviton bi trebao biti bez mase, poput fotona. Novi rezultat pokazuje da njegova masa mora biti manja od 2 × 10⁻²³ eV/c². Za usporedbu, gornja granica mase fotona u fizici čestica iznosi 10⁻¹⁸ eV/c².
Treći rad tražio je možda i najupečatljiviji mogući znak nove fizike, takozvane gravitacijske odjeke. Neke alternativne teorije predviđaju da bi nakon što se glavni gravitacijski valovi sudara stišaju trebao uslijediti još jedan, naknadni signal. U okviru opće relativnosti takvi odjeci ne bi smjeli postojati, pa bi njihovo otkrivanje bilo jasan znak da Einsteinova teorija nije potpuna. No istraživači nisu pronašli nikakav trag takvim signalima.
Najvažnija vijest zato nije tek još jedna potvrda da je Einstein bio u pravu. Mnogo je važnije to što astronomija gravitacijskih valova sada napokon raspolaže podacima dovoljno dobrima da se opća relativnost testira upravo ondje gdje je gravitacija najekstremnija, u području crnih rupa. Nakon tek desetak godina takvih opažanja to je velik korak. U desetljećima koja dolaze upravo bi ovakva mjerenja mogla pokazati gdje Einsteinova teorija i dalje vrijedi, a gdje napokon počinje fizika iza nje.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
