Kada se dvije crne rupe spoje, nastaje nova, veća crna rupa, a prostorvrijeme oko njih zatitra u obliku gravitacijskih valova. Novo istraživanje pokazuje da bi konačno stanje tog objekta možda bilo moguće predvidjeti jednostavnije nego dosad, ne samo uz pomoć superračunala i Einsteinovih jednadžbi, nego i pomoću termodinamike, odnosno načela najveće entropije.
Nakon spajanja nova crna rupa još neko vrijeme “zvoni”
Sudari crnih rupa spadaju među najekstremnije događaje u svemiru. Dva objekta toliko gusta da im ni svjetlost ne može pobjeći kruže jedan oko drugoga, postupno se približavaju i na kraju stapaju u jednu crnu rupu. Pritom nastaju gravitacijski valovi, sitni poremećaji prostorvremena koji mogu prijeći milijarde svjetlosnih godina i ipak biti zabilježeni instrumentima na Zemlji.
Ti valovi nisu samo trag nasilnog sudara. U njima je zapisan dio informacije o tome što se dogodilo i kakva je crna rupa nastala nakon spajanja. Fizičari iz tih podataka žele odrediti masu i spin konačne crne rupe. Problem je u tome što se najtočnija predviđanja oslanjaju na vrlo složene jednadžbe Einsteinove opće teorije relativnosti. Za njihovo rješavanje često su potrebne numeričke simulacije i superračunala.
Tim istraživača predvođen fizičarima sa Sveučilišta Penn State sada predlaže da se u toj složenoj slici možda skriva jednostavnije pravilo. U radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters zaključuju da se završno stanje nakon sudara crnih rupa može povezati s načelom najveće entropije.
Monica Rincon-Ramirez, prva autorica rada i poslijedoktorska istraživačica fizike na Penn Stateu, opisala je konačnu crnu rupu kao objekt koji nakon spajanja još neko vrijeme “zvoni poput udarenog zvona”. Dok se smiruje, nastavlja emitirati gravitacijske valove. Na kraju ostaje stabilna crna rupa koju, prema poznatom opisu, određuju ponajprije dvije veličine: masa i spin.
Pitanje koje su istraživači postavili bilo je jednostavno: može li se to konačno stanje predvidjeti termodinamikom?
Entropija povezuje plinove, toplinu i crne rupe
Na prvi pogled, termodinamika i crne rupe ne pripadaju istom svijetu. Termodinamika opisuje toplinu, energiju, entropiju i ponašanje sustava s golemim brojem čestica, od plinova u motorima do zraka u atmosferi. Crne rupe, s druge strane, pripadaju općoj relativnosti, teoriji u kojoj se gravitacija opisuje zakrivljenošću prostorvremena.
Ipak, veza između crnih rupa i termodinamike nije nova. Od 1970-ih, osobito nakon rada Stephena Hawkinga, fizičari su počeli shvaćati da crne rupe nisu potpuno odvojene od pojmova poput temperature i entropije. Hawking je pokazao da crne rupe mogu zračiti energiju, čime je otvorio vrata ideji da se na njih mogu primijeniti zakoni slični zakonima termodinamike.
Novo istraživanje ide korak dalje. Autori nisu promatrali samo mirne, idealizirane crne rupe, nego sustav u kojem se dvije crne rupe gibaju, sudaraju i stvaraju novu. U takvom događaju gravitacijski valovi odnose dio energije i dio rotacijskog gibanja sustava. Tek kada se taj gubitak uračuna, pojavljuje se zanimljiv obrazac.
Prema istraživačima, konačna crna rupa izgleda kao stanje u kojem je entropija najveća. Drugim riječima, sustav se ponaša kao da, nakon što su uzeta u obzir ograničenja koja nameću energija i rotacija, završava u termodinamički najvjerojatnijem stanju.
Vaishak Prasad, poslijedoktorski istraživač astronomije i astrofizike na Penn Stateu, usporedio je entropiju s neurednom sobom. Neuredna soba može biti neuredna na bezbroj načina, dok uredna soba dopušta mnogo manje mogućih rasporeda. Zato sustavi u prirodi često završavaju u stanjima veće entropije. Prema rezultatima ovog rada, sudari crnih rupa možda slijede sličnu logiku.
Najveća entropija dala je rezultat blizak superračunalnim simulacijama
Istraživači su svoju ideju nazvali pretpostavkom najveće entropije za spajanja crnih rupa. Ona podsjeća na uobičajen način razmišljanja u termodinamici. Kada se spoje dva vruća plina, fizičar ne mora pratiti svaku molekulu zasebno da bi predvidio konačno stanje sustava. Dovoljno je uzeti u obzir očuvanje energije i druga fizička ograničenja, a zatim pronaći stanje najveće entropije.
Eugenio Bianchi, profesor fizike na Penn Stateu i jedan od autora rada, upravo je u tome vidio ključnu analogiju. Ako se takav pristup može koristiti za plinove, možda postoji srodno načelo koje vrijedi i kod sudara crnih rupa.
Tim je proučavao kako se masa i kutna količina gibanja sustava tijekom spajanja mogu povezati s nizom mogućih rotirajućih crnih rupa koje bi mogle nastati nakon sudara. Zatim su pratili u kojem dijelu tog niza entropija doseže najveću vrijednost.
Rezultat je bio iznenađujuće blizak onome što pokazuju neovisne simulacije numeričke relativnosti, odnosno simulacije koje izravno rješavaju jednadžbe opće relativnosti. Prema autorima, slaganje je bilo unutar nekoliko posto.
To ne znači da nova pretpostavka može zamijeniti superračunala, niti da je problem sudara crnih rupa riješen jednostavnom formulom. No podudaranje je dovoljno zanimljivo da se postavi ozbiljno pitanje: je li entropija samo praktičan matematički putokaz ili dublje pravilo koje upravlja ponašanjem crnih rupa u trenutku spajanja?
Što nova crna rupa zapravo pamti
Jedna od najneobičnijih osobina crnih rupa jest da se, barem prema klasičnom opisu, mogu opisati vrlo malim brojem podataka. Nakon sudara dviju crnih rupa, novi objekt kao da “zaboravlja” većinu detalja o tome kako je nastao. Ostaju masa i spin.
B. S. Sathyaprakash, profesor fizike, astronomije i astrofizike na Penn Stateu te voditelj istraživačkog tima, istaknuo je da se ono što konačna crna rupa ipak “pamti” možda može najprirodnije opisati termodinamičkim pojmovima. Upravo je zato rad zanimljiv: povezuje gravitaciju, crne rupe i termodinamiku u trenutku kada se prostorvrijeme najjače mijenja.
Istraživanje zasad ostaje pretpostavka koja se dobro slaže sa simulacijama u proučenim slučajevima. Još se ne zna koliko široko vrijedi. No ako se pokaže da entropija doista vodi konačno stanje crne rupe, tada bi jedan od najžešćih događaja u svemiru mogao imati neočekivano jednostavno pravilo.