Сигнал гравитационных волн доказывает теорию относительности Эйнштейна 

Фото из открытых источников

Самое громкое из когда-либо зарегистрированных столкновений двух черных дыр позволило ученым проверить теорию общей относительности Эйнштейна с беспрецедентной детализацией, показав, что предсказания физика снова оказались верны. Результаты нового исследования были опубликованы в Physical Review Letters.

В 2025 году международная группа детекторов гравитационных волн, состоящая из сверхчувствительных лазерных массивов, обнаружила мощную рябь в ткани пространства-времени, получившую обозначение GW250114, вероятно, вызванную слиянием двух черных дыр.

Детекторы, в число которых входят Лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США и детектор Virgo в Италии, гораздо более чувствительны, чем когда LIGO впервые обнаружила это явление в 2016 году. Это означало, что GW250114 получила самые четкие и свободные от шума данные среди всех событий, связанных с гравитационными волнами, что делает ее уникальной площадкой для проверки предсказаний, основанных на хорошо проверенных физических теориях.

В прошлом году исследователи использовали данные GW250114 для проверки теоремы Стивена Хокинга, предложенной более 50 лет назад, согласно которой горизонт событий слившейся черной дыры — область, из которой свет больше не может выходить, — не будет меньше суммы горизонтов событий родительских черных дыр. Результаты показали с почти 100-процентной уверенностью, что Хокинг был прав.

Теперь Киф Митман из Корнельского университета в Нью-Йорке и его коллеги пошли еще дальше и проверили, соответствует ли слияние черных дыр общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Первоначальные уравнения Эйнштейна описывают движение любого объекта с массой в пространстве-времени. Когда эти уравнения корректируются для слияния двух черных дыр, а затем решаются, возникает отчетливая картина. Черные дыры сначала вращаются друг вокруг друга по спирали с возрастающей скоростью, затем сталкиваются, высвобождая колоссальный выброс энергии, после чего начинают вибрировать на различных частотах, подобно тому, как звонит колокол после удара.

Эти частоты, называемые модами затухания, были относительно слабыми в предыдущих событиях гравитационных волн, что делало невозможным обнаружение сложной структуры, предсказанной Эйнштейном. Однако GW250114 была достаточно громкой, чтобы моды, предсказанные уравнениями Эйнштейна, можно было должным образом проверить. Митман и его коллеги смоделировали уравнения Эйнштейна и получили предсказания относительно того, насколько громкими и на каких частотах должны быть эти колебания черной дыры. При сравнении с измеренными частотами они очень точно совпали.

«Амплитуды, которые мы измеряем в данных, невероятно хорошо согласуются с предсказаниями численной теории относительности», — говорит Митман. «Уравнения Эйнштейна действительно сложно решить, но когда мы их решаем и наблюдаем предсказания общей теории относительности в наших детекторах, эти два подхода совпадают».

«В итоге, Эйнштейн по-прежнему прав», — говорит Лаура Натталл из Университета Портсмута, Великобритания. «Все, кажется, соответствует тому, что Эйнштейн говорил о гравитации».

Несмотря на громкость GW250114, частоты были настолько слабыми, что Митман и его команда не могли исключить возможность их отклонения от предсказаний Эйнштейна менее чем на 10 процентов. По словам Митмана, это в основном следствие ограничений чувствительности наших детекторов, и это должно уменьшаться по мере повышения чувствительности детекторов гравитационных волн. Однако, если теория Эйнштейна в чём-то неверна, то это различие сохранится.

«По мере того, как мы наблюдаем всё больше событий или видим более громкие одиночные события, эти погрешности могут уменьшиться до значений, близких к нулю, или же уменьшиться до значений, близких к нулю», — говорит Митман. «Если они уменьшатся до значений, близких к нулю, это будет гораздо интереснее».