Учёные подтвердили две давние теории, связанные с чёрными дырами, благодаря обнаружению наиболее чётко зафиксированного сигнала гравитационной волны на сегодняшний день.
Спустя десять лет после обнаружения первой гравитационной волны коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA (10 сентября) объявила об обнаружении GW250114 — ряби в пространстве-времени, которая даёт беспрецедентное представление о природе чёрных дыр и фундаментальных законах физики.
Исследование подтверждает предсказание профессора Стивена Хокинга 1971 года, что при столкновении чёрных дыр общая площадь горизонта событий результирующей чёрной дыры больше, чем сумма площадей отдельных чёрных дыр — она не может уменьшиться.
Также исследования подтвердили природу чёрных дыр по Керру — набор уравнений, разработанный в 1963 году новозеландским математиком Роем Керром, элегантно объясняющий, как выглядят пространство и время вблизи вращающейся чёрной дыры. Метрика Керра предсказывает такие эффекты, как «затягивание» пространства и зацикливание света, создающее множественные копии объектов.
Международная группа исследователей, включая экспертов из Университета Бирмингема, отмечает, что GW250114 был обнаружен с соотношением сигнал/шум 80. Эта чёткость позволила провести точные проверки общей теории относительности и термодинамики чёрных дыр.
Герайнт Праттен, научный сотрудник Королевского общества в Университете Бирмингема и член группы по написанию статьи LVK, прокомментировал: «GW250114 — это самое громкое событие гравитационной волны, которое мы обнаружили на сегодняшний день, это было похоже на то, как шёпот становится криком».
Подробности обнаружения
GW250114 был зафиксирован сдвоенными детекторами лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США. LIGO работает в координации с двумя международными партнёрами: гравитационно-волновым детектором Virgo в Италии и KAGRA в Японии, образуя сеть по поиску гравитационных волн, известную как LVK (LIGO, Virgo, KAGRA).
Команда LVK, в которую входят сотрудники Университета Бирмингема, смогла установить, что GW250114 был порождён столкновением двух чёрных дыр с массами примерно в 32 раза больше массы нашего Солнца.
LIGO фиксирует гравитационную волну, проходящую через Землю, каждые несколько дней, но GW250114 оказался особенным. Данные показывают, что начальные чёрные дыры имели общую площадь поверхности, примерно равную площади Соединённого Королевства (240 000 квадратных километров), а конечная площадь составила около 400 000 квадратных километров (примерно размер Швеции).
В 1970-х годах Хокинг и физик Якоб Бекенштейн пришли к выводу, что площадь чёрной дыры пропорциональна её энтропии, или степени беспорядка, проложив путь для более поздних новаторских работ в области квантовой гравитации, которая пытается объединить два столпа современной физики: общую теорию относительности и квантовую физику.
После того как чёрные дыры слились вместе, во время так называемой фазы кольцевого излучения, конечная чёрная дыра вибрирует, испуская гравитационные волны на определённых частотах, подобно характерным звукам, которые издавал бы колокол при ударе, — «голоса» чёрной дыры.
Решение Роя Керра предсказывает, что чёрная дыра и её «голоса» при возмущении однозначно описываются всего двумя числами: массой и вращением чёрной дыры. Это выделяет чёрные дыры среди любых других небесных объектов: звезду можно описать только очень большим набором сложных свойств, в то время как даже чёрные дыры, масса которых в миллион раз превышает массу нашего Солнца, удивительно описываются всего двумя простыми числами — массой и вращением.
Грегорио Каррулло, доцент Университета Бирмингема и координатор одной из аналитических групп LVK, прокомментировал: «Учитывая чёткость сигнала, произведённого GW250114, впервые мы смогли выделить два «тона» из «голосов» чёрной дыры и подтвердить, что они ведут себя в соответствии с предсказанием Керра, получив беспрецедентные убедительные доказательства природы чёрных дыр по Керру, обнаруженных в природе».
Результаты были опубликованы почти ровно через десять лет после первого знаменательного наблюдения гравитационных волн. 14 сентября 2015 года на Землю поступил сигнал, несущий информацию о паре удалённых чёрных дыр, которые закружились и слились вместе.
Это историческое открытие, в которое исследователи из Бирмингема внесли значительный вклад, разработав аппаратуру для детекторов LIGO, высокоточные модели гравитационных волн, генерируемых при слиянии чёрных дыр, и методы анализа, позволяющие извлечь из данных свойства чёрных дыр. Теперь учёные могут воспринимать Вселенную через три разных средства.
Патриция Шмидт, доцент Университета Бирмингема и сопредседатель аналитической группы LVK, прокомментировала: «Обнаружение двойной чёрной дыры с параметрами, аналогичными параметрам GW150914, но в три раза более громкое, всего через десять лет после прорывного открытия, стало возможным благодаря огромным технологическим улучшениям наших инструментов, проложив путь для прецизионной астрономии с помощью гравитационных волн».
Амити Сингх Убхи, сотрудник группы по приборам Бирмингема, добавил: «Исключительное соотношение сигнал/шум GW250114 демонстрирует коллективные достижения в области инструментов для регистрации гравитационных волн в нашем сообществе. Эта беспрецедентная чёткость позволяет нам исследовать эволюцию чёрных дыр с беспрецедентной точностью, демонстрируя влияние передовых технологий на наше понимание фундаментальных законов природы».
Предоставлено:
Университет Бирмингема