Самое сильное столкновение черных дыр подтвердило теории Эйнштейна и Хокинга

Фото из открытых источников

Спустя почти 10 лет после первого обнаружения гравитационных волн в космосе, физики объявили о самом сильном на сегодняшний день сигнале такого рода. Это слияние, возникшее при слиянии двух чёрных дыр в далёкой галактике, позволило исследователям по-новому проверить общую теорию относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. В частности, как сообщается в Physical Review Letters, анализ этого события подтвердил теорему Стивена Хокинга о том, что площадь поверхности чёрной дыры может только увеличиваться и никогда не уменьшаться.

«Это настолько фундаментальная, чистая теорема общей теории относительности, что увидеть её подтверждение — просто фантастика», — говорит Клиффорд Уилл, специалист по теории гравитации из Университета Флориды. «Это один из фактов, позволяющих утверждать, что мы действительно наблюдаем чёрные дыры».

Сигнал был зарегистрирован 14 января Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), состоящей из двух L-образных интерферометров в Луизиане и штате Вашингтон. Лазерный свет, резонирующий вдоль 4-километровых плеч интерферометров, используется для регистрации проходящих гравитационных волн, которые растягивают каждое плечо менее чем на 1/100 ширины протона. Сравнение последнего сигнала с моделями показывает, что он был получен, когда далёкие чёрные дыры с массами в 33,6 и 32,2 раза больше массы Солнца спиралевидно сближались и сливались.

Массы чёрных дыр были практически такими же, как и у тех, что вызвали первое событие LIGO, обнаруженное 14 сентября 2015 года. Однако с тех пор детекторы LIGO были усовершенствованы и стали в три раза чувствительнее. Таким образом, новый сигнал был гораздо более чётким, с отношением сигнал/шум 80, что позволило исследователям изучить его с беспрецедентной детализацией.

После слияния последний горизонт событий чёрной дыры — граница, где гравитация становится настолько сильной, что даже свет не может её покинуть, — кратковременно вибрирует, словно резко ударивший колокол. В данном случае этот «звон» имел частоту 247 колебаний в секунду и длился около 10 миллисекунд. Основное колебание может иметь обертоны немного иных, как правило, более низких частот, которые быстрее затухают и играют ключевую роль в проверке ОТО.

Согласно этой теории, чёрная дыра настолько лишена каких-либо особенностей, что её можно охарактеризовать всего двумя числами: массой и спином. Это означает, что частоты и скорости затухания обертонов не являются независимыми, а должны быть математически связаны. Сравнивая обертон с основным резонансным тоном, физики могут проверить соотношения, предсказываемые ОТО.

Сложность заключается в обнаружении обертона, который может затухать менее чем за один цикл колебаний. «Чёрные дыры не звенят, они глухо стучат», — говорит Скотт Хьюз, теоретик из Массачусетского технологического института. Другие слияния чёрных дыр, включая первое событие LIGO, давали намёки на обертон. В новом событии обертон чётко выделяется, говорит Катерина Хатзиоанну, физик и член LIGO в Калифорнийском технологическом институте. «Это однозначно». И действительно, частоты тона и обертона соответствовали предсказаниям ОТО.

Растяжение пространства при новом слиянии черных дыр (вверху) похоже на растяжение при первом обнаруженном слиянии, но из-за снижения шума в детекторах сигнал выделяется гораздо более отчетливо.

Один из нюансов заключается в том, что LIGO идентифицирует и характеризует сигналы с помощью моделирования, предполагающего правильность ОТО, что может быть источником систематической ошибки. Чтобы избежать этого, исследователи игнорировали большую часть сигнала и анализировали только кольцо внизу. По словам Максимилиано Изи, физика LIGO из Института Флэтайрон, им это удалось только благодаря его чрезвычайной силе. «Именно это и делает возможным всё это», — говорит он. Однако Франс Преториус, специалист по теории гравитации из Принстонского университета, предупреждает, что в анализ всё же может быть заложена некоторая доля систематической ошибки.

Затем исследователи LIGO использовали массу и вращение конечной чёрной дыры для вычисления площади её горизонта событий: около 400 000 квадратных километров, что примерно соответствует площади Японии. Данные, полученные ранее в ходе этого события, когда начальные чёрные дыры сближались по спирали, также показали их массу, вращение и площадь. Площадь конечной чёрной дыры превысила суммарную площадь начальных, хотя конечный объект был менее массивным, чем сумма начальных чёрных дыр, поскольку часть энергии, а следовательно, и массы, излучалась в виде гравитационных волн. Этот результат согласуется с математической теоремой Хокинга, которая гласит, что независимо от того, как эволюционируют масса и вращение чёрной дыры, её площадь может только расти.

Работа показывает, как по мере повышения чувствительности LIGO чёрные дыры стали предметом эмпирического изучения. «Это качественное изменение, ставшее возможным благодаря количественному», — говорит Хьюз. С дальнейшими усовершенствованиями LIGO или с появлением будущих обсерваторий учёные смогут увидеть множество мод и обертонов, отмечает Преториус. «Возможно, есть надежда, что ОТО не совсем верна, и в какой-то момент мы получим достаточно точные измерения, чтобы начать видеть аномалию».