V písních černých děr by se mohly skrývat stopy „kvantové gravitace“.

Ze čtyř základních fyzikálních sil je gravitace ta, kterou v každodenním životě známe nejvíce, ale je to také jediná, kterou v současnosti nelze vysvětlit kvantovou fyzikou. Nyní vědci načrtli plán, jak hledat známky kvantové gravitace ve vesmíru nasloucháním „zvonění“ kolidujících černých děr.

Tři ze čtyř základních sil – elektromagnetismus a slabé a silné jaderné síly – lze popsat jako pole a jsou neseny specifickými částicemi. Elektromagnetismus je například přenášen fotony a vytváří elektrická a magnetická pole.

Gravitaci však takto vysvětlit nelze. Prozatím je nejlepším modelem, který máme, Einsteinova obecná teorie relativity, ale v určitých situacích – například v blízkosti černých děr – se tato teorie rozpadá, což naznačuje, že je neúplná. Po desetiletí vědci hledali teorii kvantové gravitace, která by vysvětlila sílu kvantovou mechanikou nesenou hypotetickou částicí zvanou graviton, ale důkazy nám zatím unikají.

Nyní dvojice nových studií nastínila, jak by astrofyzici mohli v příštích letech hledat stopy. Gravitační vlny jsou vlnění v samotné struktuře časoprostoru, produkované kataklyzmatickými událostmi, jako jsou srážky mezi černými dírami a/nebo neutronovými hvězdami, které jsou detekovatelné observatořemi jako LIGO. Tým ukázal, že „tóny“ těchto kolizí mohou naznačovat fyziku, která není zcela v souladu se současnými modely.

„Když se dvě černé díry spojí a vytvoří větší černou díru, poslední černá díra zazvoní jako zvon,“ řekl Yanbei Chen, spoluautor obou studií. „Kvalita zvonění nebo jeho zabarvení se může lišit od předpovědí obecné relativity, pokud jsou určité teorie kvantové gravitace správné. Naše metody jsou navrženy tak, aby hledaly rozdíly v kvalitě této fáze vyzvánění, jako jsou například harmonické a podtóny.“

První studie představuje novou rovnici, která popisuje, jak by černé díry kroužily pod různými teoriemi kvantové gravitace. Je založena na rovnici, kterou poprvé vytvořil teoretický fyzik Saul Teukolsky v 70. letech 20. století. Ve druhé studii tým popisuje, jak lze novou rovnici aplikovat na data získaná pomocí LIGO a odfiltrovat šum pozadí.

Vzhledem k tomu, že se LIGO teprve nedávno po tříleté přestávce na upgrady znovu rozběhlo, měli bychom být brzy schopni otestovat myšlenku kvantové gravitace.

Výzkum byl publikován v časopisech Fyzický přehled X a Fyzické kontrolní dopisy.

Zdroj: Caltech