Теорема Стивена Хокинга полувековой давности была успешно проверена благодаря значительному прогрессу в гравитационно-волновой астрономии, который помог уловить волны от необычно мощного столкновения черных дыр.
В 1971 году знаменитый ученый предсказал, что при слиянии двух черных дыр горизонт событий образовавшегося объекта — граница, за которую не может вырваться даже свет — не может иметь площадь меньше суммы площадей исходных черных дыр. Теорема перекликается со вторым законом термодинамики, не допускающего уменьшение энтропии — беспорядка внутри системы.
Слияния черных дыр искривляют ткань Вселенной, порождая крошечные колебания пространства-времени — гравитационные волны. Они распространяются по Вселенной со скоростью света. Пять гравитационных обсерваторий на Земле ищут волны с амплитудой в 10 000 раз меньше атомного ядра. В их числе два детектора американской Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, а также детектор Virgo в Италии, KAGRA в Японии и GEO600 в Германии, которые управляются международной коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).
Недавнее столкновение, получившее обозначение GW250114, почти идентично тому, в результате которого гравитационные волны были впервые обнаружены в 2015 году. И в том, и в другом событии участвовали черные дыры массой от 30 до 40 солнечных, и оба произошли на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет.
Модернизация детекторов LIGO сделала их втрое чувствительнее, чем 10 лет назад, что позволило зафиксировать волны от столкновения с беспрецедентной детализацией. Это дало возможность рассчитать площадь горизонта событий новой черной дыры, чтобы проверить теорию Хокинга. Результаты исследования вышли в Physical Review Letters.
Когда сталкиваются черные дыры, они производят гравитационные волны с обертонами, похожими на звон колокола, объясняет профессор Лора Наттолл из Портсмутского университета, участница LVK. Ранее они слишком быстро рассеивались, чтобы по ним было возможно вести расчеты с достаточной точностью. Исследование первого обнаруженного столкновения, опубликованное в 2021 году, подтвердило теорию с достоверностью 95%, а новое повысило эту достоверность до убедительных 99,999%.
За 10 лет наблюдений за гравитационными волнами ученые наблюдали около 300 столкновений черных дыр. Но ни одно из них не было зафиксировано так сильно и четко, как GW250114, сигнал которого оказался в два раза мощнее любой другой из обнаруженных на сегодняшний день гравитационных волн.
«Такие события, которые случаются совсем близко и звучат очень и очень громко в наших данных, — это именно те случаи, когда мы можем по-настоящему исследовать фундаментальную физику происходящего. Именно потому, что они такие мощные, а погрешности измерений столь незначительны, мы можем начать выявлять самые мельчайшие детали процессов. Мы просто надеемся, что природа и дальше будет дарить нам такие бесценные подарки», — говорит Наттолл.
Когда волны от GW250114 достигли Земли, работал только LIGO, а другие детекторы, за которыми следит коллаборация LVK, — нет. Это не повлияло на проверку теории Хокинга, но означало, что исследователи не смогли более четко определить происхождение волн в небе.
Модернизация LIGO и других запланированных обсерваторий, которые должны быть запущены в будущем, обеспечит еще большую чувствительность и позволит нам глубже погрузиться в физику черных дыр, рассчитывает профессор Ян Харри, также из Портсмутского университета и участник коллаборации LVK.
«Возможно, мы не все из них заметим, но такое событие непременно повторится. Может быть, со следующей серией усовершенствований — возможно, в 2028 году — мы увидим нечто подобное, и тогда, возможно, чувствительность будет такой, что мы сможем по-настоящему углубиться в исследование», — полагает Харри.
Эти открытия прокладывают путь новым исследованиям в области квантовой гравитации, с помощью которых физики надеются объединить общую теорию относительности и квантовую физику. По словам Наттолл, последние результаты показывают, что общая теория относительности и квантовая механика продолжают хорошо работать вместе, но в будущем ожидаются некоторые расхождения.
«В какой-то момент мы можем обнаружить, что согласованность нарушается, и произойдет это тогда, когда мы начнем получать крайне мощные сигналы от ближайших источников — по мере роста чувствительности наших инструментов», — уточнила она.
Исследование также подтвердило уравнения математика Роя Керра, сформулированные в 1960-х годах, которые предсказывали, что черные дыры могут характеризоваться всего двумя параметрами: своей массой и моментом вращения. По сути, две черные дыры с одинаковой массой и вращением являются математически идентичными. Благодаря наблюдениям за GW250114 мы теперь знаем, что это утверждение верно.
Российский ученый математически доказывает правоту Стивена Хокинга в отношении черных дыр
LIGO обнаружила самое массивное столкновение черных дыр из когда-либо наблюдавшихся
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram