11 Minute
Undă gravitațională neobișnuită și o interpretare provocatoare
În 2019, observatoarele LIGO și Virgo au înregistrat un semnal de undă gravitațională extraordinar de scurt — cu o durată mai mică de o zecime de secundă — denumit GW190521. Spre deosebire de caracteristica „ţipăt” (chirp) în creştere tipică produsă de două găuri negre care se învârt lent una spre cealaltă, GW190521 a apărut ca un singur impuls puternic, foarte scurt. Interpretarea standard a fost că două găuri negre au avut o întâlnire hiperbólica accidentală și s-au contopit fără o inspirală prelungită. Totuși, un preprint din 2025 condus de fizicianul Qi Lai (Universitatea Academiei Chineze de Științe) propune o alternativă mult mai exotică: impulsul observat ar putea fi ecoul unei coliziuni de găuri negre care a avut loc într-un univers separat, transmis printr-o gaură de vierme (wormhole) care s-a prăbușit în timpul acelei fuziuni.
Propunerea lui Lai atrage atenţia comunităţii pentru două motive principale: pe de o parte explică absenţa unei inspirale vizibile în banda sensibilă a detectoarelor, iar pe de altă parte deschide o posibilă cale de a testa topologii exotice ale spaţiu-timpului cu instrumente observationale. Interpretarea este, însă, profund speculativă și implică ipoteze dincolo de materia și câmpurile cunoscute.
Context științific: unde gravitaționale și absența inspiralei
Undele gravitaționale sunt perturbații ale spaţiu-timpului generate de mase accelerate — în mod cel mai eficient de fuziuni de găuri negre și stele neutronice. În cazul sistemelor binare care orbitează și pierd energie prin radiație gravitațională, semnalul emis prezintă o creștere graduală a frecvenței și amplitudinii, fenomen cunoscut sub numele de inspiral, urmat de un merge (merger) și de modulul de amortizare (ringdown). Această evoluție produce forma de undă tipică „chirp” folosită pentru a identifica și a caracteriza fuziunile de obiecte compacte.
În registrul LIGO/Virgo, pentru o fuziune cu masa totală inferată de aproximativ 142 de mase solare (valori medii estimate pentru GW190521), porțiunea de inspiral ar fi trebuit să fie vizibilă în banda de frecvență la care detectoarele sunt cele mai sensibile. Lipsa acelei părți a semnalului face observația derutantă și a determinat cercetătorii să caute explicații neobișnuite, inclusiv scenarii dinamice extreme — de exemplu capturi dinamice într-un mediu dens sau întâlniri hiperbolice —, dar și opțiuni exotice cum ar fi efecte de lentilă gravitațională, semnale suprapuse sau, așa cum propun Lai și colaboratorii, evenimente legate de un wormhole temporar.
Pentru claritate tehnică: frecvența caracteristică a unei inspirale depinde de masele componentelor binare și de raportul lor de masă; la mase totale foarte mari, semnalul inspiral se mută la frecvențe mai joase, însă pentru masa estimată a GW190521, o porțiune semnificativă ar fi trebuit să cadă încă în banda de sensibilitate a LIGO/Virgo, fapt care creează paradoxul observat. Acesta este motivul pentru care GW190521 este analizat ca un canditat pentru fenomene neconvenționale sau pentru realizări de modelare mai elaborate.
Ipoteza găurilor de vierme: metodă și rezultate
Lai și colegii au construit un model teoretic al formei de undă care ar rezulta dacă o fuziune a două găuri negre ar produce, tranzitoriu, un wormhole care conectează două spații-timp distincte sau două regiuni separate ale aceluiași spaţiu-timp. În scenariul propus, wormhole-ul s-ar forma în mod efemer în timpul dinamicii extrem de nonlineare a fuziunii, ar permite conversia unor moduri gravitaționale în „ecouri” care se transmit prin conexiune și apoi s-ar prăbuși rapid înapoi într-o gaură neagră unică. Semnalul ajuns la detectori ar fi astfel dominat de un impuls scurt și de moduri de ecou (echoing modes), în locul unui chirp lung provocat de o inspirală prelungită.
Modelarea a inclus calcularea modalităților cordului final și a tranzițiilor între geometrii spațiu-timp asociate cu un wormhole instabil. Autorii au derivat scheme approximate pentru spectrul frecvențial al acestor ecouri și au construit o familie de template-uri (șabloane) compatibile cu limbajul de analiză folosit în astronomia undelor gravitaționale. Aceste șabloane au fost apoi comparate statistic cu datele reale GW190521 și cu template-urile convenționale pentru fuziuni binare de găuri negre.
Echipa a constatat că modelul convențional de binară-găuri-negre oferă un fit marginal mai bun în termeni de verosimilitudine (likelihood), dar diferența este mică și nu are caracter decisiv. În termeni statisticis, aceasta înseamnă că datele nu exclud în mod categoric ipoteza wormhole, deși o soluție bazată pe fizică bine stabilită rămâne preferată. Autorii subliniază că, din cauza incertitudinilor instrumentale și a complexității semnalelor de mare masă, un model exotic poate rămâne compatibil cu observațiile curente.
În plus, analiza a integrat considerații privind degenerescențele parametrilor: anumite combinații de mase, raport de masă și orientare a sistemului pot scoate din evidență porțiunea inspiral, iar un wormhole temporar ar reproduce în mod natural un impuls scurt, fără a necesita o configurare contrived. Rezultatele oferă, astfel, o justificare pentru continuarea explorării alternativelor teoretice și a dezvoltării unor metode de detectare sensibile la semnături de ecou.
De ce contează această ipoteză
Dacă evenimentele cu undă gravitațională precum GW190521 ar fi produse de dinamică a găurilor de vierme, implicațiile ar fi profunde. Descoperirea nu ar sugera doar topologii exotice ale spaţiu-timpului, ci ar furniza un instrument observaţional nou pentru studiul proprietăţilor acestor obiecte — de la stabilitatea lor la modul în care interacţionează cu materia și cu câmpurile fundamentale. Astfel de observații ar avea potențialul de a testa teorii alternative ale gravitației, inclusiv anumite variante de gravitație cu extra-dimensiuni sau cu câmpuri scalare care încalcă condițiile energetice clasice.
Totuși, o astfel de interpretare cere introducerea unor concepte teoretice încă neconfirmate: materia exotică sau configurații de câmp care încalcă condițiile energetice clasice (de exemplu, condiția de energie nulă, NEC — Null Energy Condition), sau mecanisme de stabilizare ale găurilor de vierme traversabile. Aceste ingrediente nu au fost detectate în alt context experimental, ceea ce plasează propunerea la granița dintre fizică teoretică speculativă și observație. Din punct de vedere epistemic, ipoteza servește totuși ca un „testbench” pentru dezvoltarea de metode analitice și numerice care pot identifica semnale neconvenționale în datele LIGO/Virgo/KAGRA.
Evenimente comparative și teste viitoare
Ulterior, evenimente masive și de durată scurtă — cel mai notabil GW231123, care a produs un remnant de aproximativ 225 de mase solare — au afișat semnale scurte similare. Această colecție de cazuri oferă o populație potențială pentru studii comparative: cercetătorii propun analizarea caracteristicilor spectrale și temporale între evenimente pentru a distinge semnăturile produse de capturi dinamice de înaltă masă (care pot lipsi de o inspirală pronunţată) și semnalele generate de scenarii exotice precum wormhole-urile tranzitorii.
Un element-cheie în discriminarea acestor scenarii este acoperirea pe frecvențe joase a detectorilor. Îmbunătățirile de sensibilitate planificate (upgrade-urile LIGO A+ și cele ulterioare, actualizările KAGRA, precum și proiecte viitoare precum LISA — Laser Interferometer Space Antenna — și Einstein Telescope) vor crește numărul de detecții pentru fuziuni de mare masă și vor extinde banda de observație către frecvențe inferioare. O acoperire mai bună la frecvențe joase ar face posibilă detectarea sau excluderea clară a componentelor de inspiral pentru sisteme cu mase totale ridicate.
De asemenea, metode avansate de analiză — cum ar fi căutarea parametrizată a ecourilor (echo searches), tehnici de machine learning pentru clasificarea formelor de undă, și campanii coordonate multiinstrument — vor spori capacitatea de a discrimina între modele. În plus, observaţii complementare în unde electromagnetice, dacă ar exista emisii asociate, sau măsurări de lentilă gravitațională ar putea furniza probe independente pentru a susține sau infirma scenarii exotice.
Implicaţii și avertismente
Explicația prin găuri de vierme rămâne speculativă și conține mai multe condiții teoretice restrictive. Ea implică, în mod obișnuit, existenţa unor tipuri de materie sau câmpuri care încalcă condiţiile energetice cunoscute și garantarea stabilităţii unei structuri tranzitorii de tip wormhole. Până în prezent, astfel de elemente nu au fost confirmate experimental. De aceea, interpretările convenționale — în special capturile dinamice și fuziunile non-circulare ale două găuri negre în cadrul Universului nostru — rămân explicația preferată, deoarece se bazează pe dinamică cunoscută din relativitatea generală și pe simulări numerice bine testate.
Cu toate acestea, diferența statistică îngustă între modelele teoretice justifică continuarea studiului, atât din punct de vedere teoretic, cât și observațional. Abordările conservatoare cer acumularea unui corpus mai mare de evenimente similare, rafinarea modelelor de semnal, și investiții în sensibilitatea detectoarelor pentru a reduce incertitudinile. În același timp, explorările teoretice ale scenariilor exotice stimulează dezvoltarea instrumentelor analitice care pot surprinde fenomene noi, contribuind astfel la maturizarea domeniului astronomiei undelor gravitaționale.
Expert Insight
„GW190521 provoacă șabloanele noastre standard și ne obligă să luăm în considerare posibilități extreme,” spune Dr. Elena Morales, o teoreticiană fictivă în astrofizică specializată în dinamica obiectelor compacte. „Chiar dacă scenariul cu găuri de vierme este puțin probabil, modelarea acestor alternative întărește lanțurile noastre de analiză și ne pregătește pentru semnale cu adevărat noi. Următoarea decadă în astronomia undelor gravitaționale va arăta dacă aceste impulsuri scurte sunt ciudățenii ale fuziunilor masive sau semne ale unei fizici noi.”
Comentariile experților subliniază un punct metodologic important: pregătirea pentru surprize este esențială într-un domeniu observativ aflat în expansiune rapidă. Dezvoltarea de template-uri alternative, testarea robustă a ipotezelor și cross-validarea cu machete numerice contribuie la creșterea rezilienței analizelor statistice și la evitarea suprainterpretării unor semnale cu semnificație marginală.
Concluzie
GW190521 rămâne una dintre cele mai intrigante detecții de unde gravitaționale până în prezent. Deși ipoteza convențională a fuziunii binare de găuri negre oferă un fit ușor superior datelor, modelul de colaps al unui wormhole nu este exclus în mod categoric de observațiile curente. Determinarea dacă aceste impulsuri scurte și puternice sunt produse de fizica astrophizică cunoscută — cum ar fi capturi dinamice, fuziuni de găuri negre de masă intermediară (IMBH — intermediate-mass black holes) sau combinări de efecte instrumentale — sau dacă ele oferă indicii despre structuri mult mai stranii ale spaţiu-timpului, va necesita observaţii continue, o sensibilitate îmbunătăţită a detectorilor și o modelare atentă a formelor de undă.
Pe măsură ce rețelele de detectoare evoluează și numărul de evenimente crește, vom putea testa mai riguroase scenarii alternative și vom obține o imagine mai clară asupra populației de fuziuni de mare masă. Între timp, ipotezele precum cea a lui Lai stimulează dialogul între teoreticieni și observatori, consolidând, în ultimă instanţă, calitatea și robusteţea interpretărilor științifice în era astronomiei undelor gravitaţionale.
Sursa: sciencealert
Comentarii