Cu legile sale complexe și fenomenele misterioase, Universul pare să urmeze principii profunde și universale: simetria este unul dintre ele. De la începutul secolului al XX-lea, descoperiri majore în fizică au relevat faptul că legile naturale, de la cele mai simple la cele mai complexe, sunt strâns legate de simetriile invizibile. Unul dintre cele mai mari progrese în acest domeniu este teorema lui Noether, formulată de Emmy Noether în 1918, care demonstrează că fiecărei legi de conservare fizică îi corespunde o simetrie fundamentală. Dar cum putem testa aceste idei în contexte extreme? Răspunsul poate sta în studiul fuzionărilor găurilor negre.
În fizică, simetria se referă la o proprietate care rămâne neschimbată sub anumite transformări. De exemplu, o minge lovită de o bâtă astăzi se va comporta la fel ca ieri. Această simetrie temporală înseamnă că energia este conservată. La fel, spațiul este simetric în toate direcțiile: indiferent de orientare, legile fizicii sunt aceleași. Această idee simplă, dar fundamentală, se află în centrul teoremei lui Noether, care dezvăluie că fiecare lege de conservare (cum ar fi cea a energiei sau a impulsului) corespunde unei simetrii fundamentale în Univers. Simetriile stau la baza nu numai legile fizicii clasice, ci și domenii mai avansate, cum ar fi fizica particulelor. Unul dintre cele mai fascinante aspecte ale acestei conexiuni dintre simetrii și legile fundamentale este simetria parității de sarcină (CP), care afirmă că fiecare particulă de materie trebuie să aibă o particulă de antimaterie corespunzătoare. Cu toate acestea, descoperirile recente au arătat că această simetrie poate fi încălcată, în special în domeniul fizicii particulelor.
Simetriile sunt, de asemenea, în centrul relativității generale a lui Einstein, care descrie gravitația ca o deformare a spațiu-timpului. Deși ecuațiile lui Einstein sunt complexe, ele se bazează pe principii de simetrie. Principiul echivalenței lui Einstein, de exemplu, apare din simetriile fizice fundamentale. Aceeași noțiune de simetrie este crucială pentru testarea relativității generale în contexte extreme, cum ar fi cele în care se formează și interacționează găurile negre. Fuziunile găurilor negre oferă astfel o oportunitate unică de a observa fenomene extreme în care aceste simetrii pot fi testate. Dar cum pot cercetătorii să știe dacă relativitatea generală și simetriile ei sunt valabile în astfel de situații?
Fuzionarea găurilor negre stelare generează unde gravitaționale (unde în spațiu-timp) care sunt detectabile de observatoare precum LIGO. Analizând aceste unde, oamenii de știință pot testa principiile fundamentale ale fizicii, inclusiv simetriile. Un studiu recent publicat în Physical Review Letters a examinat polarizarea undelor gravitaționale din fuziunile găurilor negre. Polarizarea este legată de rotația găurilor negre în momentul coliziunii și studiul ne-a permis să testăm simetria parității. Conform modelului standard al relativității generale, această simetrie ar trebui păstrată. Rezultatele au confirmat această ipoteză: paritatea pare să fie respectată în timpul fuziunilor observate. Acest test este important deoarece arată că găurile negre se comportă conform simetriilor prezise de relativitatea generală. Cu toate acestea, cercetătorii subliniază că datele actuale sunt încă limitate. Numărul relativ mic de fuziuni observate nu ne permite să concluzionăm definitiv că paritatea este întotdeauna respectată în toate condițiile posibile.
Un alt aspect important al fuziunilor găurilor negre este reculul găurii negre rezultate. Atunci când un sistem de găuri negre fuzionează, gaura neagră finală poate primi o lovitură gravitațională care o trimite departe de punctul său de origine. Dacă legile fizice respectă simetria spațială, atunci acest recul nu ar trebui să prezinte nicio părtinire. Cu alte cuvinte, nu ar trebui să observăm mai multe găuri negre care se îndepărtează de noi decât găuri negre care se deplasează spre noi. Din nou, studiul recent nu a constatat nicio încălcare a acestei simetrii, confirmând predicțiile făcute de relativitatea generală.
Cercetările privind fuziunile găurilor negre sunt promițătoare, dar datele actuale sunt sărace și nu permit încă să se tragă concluzii definitive cu privire la validitatea simetriilor în contexte extreme. Totuși, aceste studii reprezintă un progres semnificativ în înțelegerea noastră a legilor gravitației și ale relativității generale. Testele de simetrie în fuziunile găurilor negre ne-ar putea ajuta în cele din urmă să răspundem la una dintre marile întrebări din fizică: gravitația cuantică, care încearcă să combine relativitatea generală și mecanica cuantică, încalcă unele simetrii?
Între timp, fuziunile găurilor negre continuă să ofere oportunități unice de a testa principiile fundamentale care guvernează cosmosul. Ele ne amintesc că și în cele mai extreme situații, simetriile rămân în centrul căutării noastre de a înțelege Universul ca întreg.
