Астрономы зафиксировали столкновение двух черных дыр, подтвердившее предсказания Эйнштейна и Хокинга

Астрономы зафиксировали столкновение двух черных дыр с беспрецедентной детализацией, что позволило составить самое ясное на сегодняшний день представление о природе этих космических явлений и подтвердило давние предсказания легендарных физиков Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга.

Об этом событии, получившем обозначение GW250114, стало известно еще в январе, когда исследователи зафиксировали его с помощью лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) — комплекса из двух идентичных приборов, расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и Ханфорде, штат Вашингтон. Приборы зафиксировали гравитационные волны — слабые возмущения пространства-времени, возникающие при столкновении двух чёрных дыр.

Поиск гравитационных волн, явления, предсказанного в 1915 году в рамках теории относительности Эйнштейна, — единственный способ обнаружить столкновения чёрных дыр с Земли. Эйнштейн считал, что эти волны слишком слабы, чтобы их могли зафиксировать человеческие технологии, но в сентябре 2015 года LIGO впервые зарегистрировал их, что впоследствии принесло Нобелевскую премию трём учёным, внёсшим ключевой вклад в разработку этого «телескопа чёрных дыр».

Масса каждой из недавно обнаруженных чёрных дыр составляла примерно от 30 до 35 масс Солнца, и они вращались очень медленно, сообщил Максимилиано Иси, доцент кафедры астрономии Колумбийского университета и астрофизик Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Иси руководил новым исследованием, проведённым в рамках коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA на основе данных GW250114. Результаты исследования были опубликованы в среду в журнале Physical Review Letters.

«Чёрные дыры находились на расстоянии около миллиарда световых лет от нас и вращались друг вокруг друга почти по идеальной окружности, — сказал Иси. — Образовавшаяся чёрная дыра имела массу примерно в 63 раза больше массы Солнца и вращалась со скоростью 100 оборотов в секунду».

По словам Иси, эти характеристики делают слияние почти точной копией того первого, революционного обнаружения, произошедшего 10 лет назад. «Но теперь благодаря значительному совершенствованию приборов с тех пор мы можем гораздо чётче видеть эти две чёрные дыры, когда они приблизились друг к другу и слились в одну», — добавил он.

По словам Иси, это наблюдение дает ученым совершенно новый взгляд на «динамику пространства и времени».

LIGO, у которого также есть два меньших инструмента — Virgo в Италии и KAGRA в Японии, — управляется международным научным сообществом, насчитывающим около 1 600 исследователей. Принцип работы LIGO заключается в обнаружении мельчайших изменений в пространстве, вызванных гравитационными волнами, которые, по словам Иси, представляют собой «изменение расстояния в 1 000 раз меньше радиуса ядра атома». С его помощью учёные уже наблюдали более 300 слияний чёрных дыр.

Ранее в этом году прибор зафиксировал самое масштабное на сегодняшний день столкновение двух черных дыр, масса которых приблизительно в 100 и 140 раз превышает массу Солнца.

С момента запуска некоторые ключевые компоненты LIGO, включая лазеры и зеркала, были модернизированы для повышения точности и снижения фонового шума. Благодаря этому новые наблюдения более чем в три раза точнее первых, сделанных десять лет назад.

Эта беспрецедентная ясность позволила астрономам использовать GW250114 для подтверждения прогнозов относительно черных дыр, сделанных десятилетия назад выдающимися физиками.

Первое предсказание, выдвинутое новозеландским математиком Роем Керром в 1963 году, основывается на общей теории относительности Эйнштейна и утверждает, что черные дыры должны быть парадоксально простыми объектами, описываемыми одним уравнением.

«Да, чёрные дыры очень загадочны, сложны и оказывают важное влияние на эволюцию Вселенной, — сказал Иси. — Но с математической точки зрения мы считаем, что их можно полностью описать всего двумя числами. Всё, что мы можем о них узнать, должно основываться на размерах чёрной дыры — или её массе — и скорости её вращения».

Чтобы проверить эту теорию, исследователи использовали уникальную особенность столкновений чёрных дыр: «звон» или вибрацию, подобную звону колокола, в который ударили, которую производит последняя чёрная дыра. «Если у вас есть колокол и вы ударите по нему молотком, он зазвонит, — отметил Иси. — Высота и длительность звука, его характеристики говорят вам о том, из чего сделан колокол. С чёрными дырами происходит нечто подобное — они звенят гравитационными волнами».

Этот звон содержит информацию о структуре чёрной дыры и окружающего её пространства, добавил Иси. Хотя это явление наблюдалось и раньше, GW250114 вернул сигнал с «двумя модами… фундаментальной модой и обертоном» с гораздо большей чёткостью.

«Мы идентифицировали два компонента этого звона, и это позволило нам проверить, что эта чёрная дыра действительно соответствует описанию всего двумя числами: массой и вращением, — сказал он. — И это имеет основополагающее значение для нашего понимания того, как работают пространство и время, — что эти чёрные дыры должны быть в каком-то смысле лишены каких-либо особенностей. Впервые мы можем наблюдать это так убедительно».

Второе предсказание, подтвержденное GW250114, было сделано в 1971 году британским физиком Стивеном Хокингом. В нем говорится, что при слиянии двух черных дыр результирующая площадь поверхности должна быть равна или превышать площадь поверхности исходных черных дыр.

«Это глубокая, но очень простая теорема, которая гласит, что общая площадь поверхности черной дыры никогда не может уменьшиться — она может только увеличиваться или оставаться неизменной», — сказал Иси.

По словам Иси, хотя предыдущие наблюдения LIGO дали лишь предварительные подтверждения теоремы, четкость этого нового сигнала дает исследователям беспрецедентную уверенность.

«Поскольку мы можем определить часть сигнала, исходящего от чёрных дыр, на ранней стадии, когда они ещё отделены друг от друга, мы можем определить их площади, — пояснил он. — Затем мы можем рассмотреть самую последнюю часть сигнала, исходящего от последней чёрной дыры, и измерить её площадь».

Как и уравнение Керра, теорема Хокинга также использует в качестве своей основы труды Эйнштейна: «Теории Эйнштейна подобны операционной системе для всего этого», — пояснил Иси.

Кип Торн, один из трёх лауреатов Нобелевской премии за вклад в развитие LIGO, рассказал, что Хокинг позвонил ему сразу же, как только узнал об обнаружении гравитационных волн в 2015 году, и спросил, сможет ли LIGO проверить его теорему. «Если бы Хокинг был жив, он бы с радостью наблюдал увеличение площади слившихся чёрных дыр», — сказал Торн об уважаемом физике, скончавшемся в 2018 году, в заявлении о новых открытиях.

«Поразительно, как эта основополагающая теоретическая работа спустя десятилетия подтверждается с помощью современных инструментов», — сказал Иси. Подтверждение уравнения Хокинга, добавил он, может иметь значение для достижения очень востребованной цели в физике — объединения, казалось бы, несовместимой общей теории относительности, описывающей гравитацию, с квантовой механикой, описывающей субатомный мир.

«LIGO создала совершенно новую область астрономии. Она произвела революцию в наших представлениях о компактных объектах, в частности о чёрных дырах, — сказал он. — До запуска LIGO люди даже не были уверены, что чёрные дыры могут сливаться, сталкиваться и формироваться подобным образом».

Гравитационные волны очень слабы, и титаническую задачу их обнаружения часто сравнивают с поиском иголки в стоге сена, считает Эмануэле Берти, профессор физики и астрономии Университета Джонса Хопкинса, не принимавший участия в исследовании. Он назвал детекторы LIGO «слуховыми аппаратами», помогающими в этом процессе.

«Большая группа учёных потратила последние десять лет на совершенствование этих „слуховых аппаратов“, и теперь мы можем „слышать“ сигналы с гораздо большей чёткостью, — написал он в электронном письме. — Теперь мы можем проверить фундаментальные принципы гравитации, которые не могли проверить десять лет назад».

Среди этих принципов, добавил он, — идея о том, что чёрные дыры есть простейшие макроскопические объекты во Вселенной. Уровень детализации «звона», возникшего в результате столкновения GW250114, позволяет учёным с уверенностью утверждать, что полученный объект соответствует чёрным дырам, предсказанным общей теорией относительности Эйнштейна, что, по словам Берти, «чрезвычайно интересно».

Леор Барак, профессор математической физики Саутгемптонского университета в Англии, также не принимавший участия в исследовании, отметил, что среди более чем 300 событий слияния чёрных дыр, зарегистрированных LIGO, последнее выделяется как «особенно впечатляющее», и назвал новое исследование долгожданным анализом. Учёным удалось извлечь два «чистых тона» остатка чёрной дыры, когда она приняла свою окончательную форму, добавил Барак.

«Впервые было проведено чёткое извлечение первого „обертона“, более слабого гармонического звука звонкого отверстия, в дополнение к основному тону, — сказал он. — Этот вид теста — самый точный на сегодняшний день, с большим отрывом».

По словам Макарены Лагос, доцента Института астрофизики Университета Андреса Бельо в Чили, это исследование представляет собой важную веху в гравитационно-волновой астрономии.

Она согласилась, что обнаружение второго тона в «звенящей» черной дыре имеет особое значение, добавив, что GW250114 демонстрирует успех постоянных усовершенствований LIGO и показывает, что обнаружение гравитационных волн может проверить фундаментальную физику способами, которые никогда ранее не были возможны.

«Хотя текущие исследования гравитации по-прежнему характеризуются значительной неопределённостью, эта работа закладывает основу для будущих исследований… ещё более высокого качества, которые ожидаются в ближайшие годы, — написал Лагос в электронном письме. — Эти будущие наблюдения обещают обеспечить более точные проверки нашего понимания пространства-времени и гравитации».