14 сентября 2015 года на Землю поступил сигнал, несущий информацию о паре удалённых чёрных дыр, которые слились воедино. Сигнал проделал путь около 1,3 миллиарда лет, чтобы достичь нас со скоростью света, но он не был световым. Это был другой вид сигнала: вибрация пространства-времени, называемая гравитационными волнами, впервые предсказанными Альбертом Эйнштейном за сто лет до этого.
В тот день, десять лет назад, два детектора обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), принадлежащей Национальному научному фонду США, впервые напрямую зафиксировали гравитационные волны — шёпот космоса, который до этого момента оставался неуслышанным.
Это историческое открытие означало, что исследователи теперь могут ощущать Вселенную тремя различными способами. Хотя световые волны, такие как рентгеновские, оптические, радиоволны и другие длины волн света, а также частицы высокой энергии, называемые космическими лучами, и нейтрино, были зафиксированы ранее, это был первый раз, когда кто-либо стал свидетелем космического события через его гравитационное искривление пространства-времени.
За это достижение, впервые задуманное более 40 лет назад, трое из основателей команды получили Нобелевскую премию по физике 2017 года: профессор физики Массачусетского технологического института Райнер Вайс (который недавно скончался в возрасте 92 лет), профессор физики Калифорнийского технологического института Барри Бэриш и профессор теоретической физики Калифорнийского технологического института Кип Торн.
Сегодня LIGO, состоящая из детекторов в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана, регулярно фиксирует примерно одно слияние чёрных дыр каждые три дня. LIGO теперь работает в координации с двумя международными партнёрами: детектором гравитационных волн Virgo в Италии и KAGRA в Японии.
Вместе сеть по поиску гравитационных волн, известная как LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), зафиксировала в общей сложности около 300 слияний чёрных дыр, некоторые из которых подтверждены, а другие ожидают дальнейшего анализа. Во время текущего научного цикла LVK, четвёртого с момента первого в 2015 году, LVK обнаружил около 220 кандидатов на слияние чёрных дыр, что более чем вдвое превышает количество, зафиксированное в первых трёх циклах.
Десятикратный рост числа открытий LVK за последнее десятилетие обусловлен несколькими улучшениями их детекторов, некоторые из которых включают передовые квантовые технологии прецизионного инжиниринга. Детекторы LVK остаются на сегодняшний день самыми точными инструментами для проведения измерений, когда-либо созданными человеком.
Пространственно-временные искажения, вызванные гравитационными волнами, невероятно малы. Например, LIGO фиксирует изменения в пространстве-времени, меньшие, чем 1/10 000 ширины протона. Это в 700 триллионов раз меньше ширины человеческого волоса.
«Рай Вайс предложил концепцию LIGO в 1972 году, и я думал, что у этого мало шансов на успех», — вспоминает Торн, эксперт по теории чёрных дыр. «Мне потребовалось три года, чтобы убедить себя в том, что у этого есть значительные шансы на успех. Техническая сложность снижения нежелательного шума, который мешает желаемому сигналу, была огромной. Нам пришлось изобрести совершенно новую технологию. Национальный научный фонд превосходно руководил этим проектом».
Улучшенная чувствительность LIGO продемонстрирована недавним открытием слияния чёрных дыр, обозначенного как GW250114 (числа обозначают дату, когда гравитационно-волновой сигнал достиг Земли: 14 января 2025 года).
Событие не сильно отличалось от первого в истории обнаружения LIGO (названного GW150914) — оба связаны со столкновением чёрных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет с массами, в 30–40 раз превышающими массу нашего Солнца. Но благодаря десяти годам технологических достижений, уменьшающих инструментальный шум, сигнал GW250114 стал значительно более чётким.
«Мы слышим это громко и ясно, и это позволяет нам проверить фундаментальные законы физики», — говорит член команды LIGO Катерина Хадзиянну, доцент кафедры физики Калифорнийского технологического института и научный сотрудник Уильяма Х. Хёрта, и одна из авторов нового исследования о GW250114, опубликованного в «Physical Review Letters».
Анализируя частоты гравитационных волн, излучаемых при слиянии, команда LVK смогла предоставить лучшее наблюдательное доказательство, зафиксированное на сегодняшний день, для так называемой теоремы о площади чёрной дыры, идея которой была выдвинута Стивеном Хокингом в 1971 году. Она гласит, что общая площадь поверхности чёрных дыр не может уменьшаться.
При слиянии чёрные дыры объединяют свои массы, увеличивая площадь поверхности. Но они также теряют энергию в виде гравитационных волн. Кроме того, слияние может привести к тому, что объединённая чёрная дыра увеличит свой спин, что приведёт к уменьшению её площади. Теорема о площади чёрной дыры гласит, что, несмотря на эти конкурирующие факторы, общая площадь поверхности должна увеличиваться.
Позже Хокинг и физик Якоб Бекенштейн пришли к выводу, что площадь чёрной дыры пропорциональна её энтропии, или степени беспорядка. Эти выводы проложили путь для последующих новаторских работ в области квантовой гравитации, которая пытается объединить два столпа современной физики: общую теорию относительности и квантовую физику.
По сути, обнаружение LIGO позволило команде «услышать», как две чёрные дыры растут, сливаясь в одну, подтверждая теорему Хокинга. (Virgo и KAGRA в это время не работали.)
Первоначальные чёрные дыры имели общую площадь поверхности 240 000 квадратных километров (примерно размер штата Орегон), а конечная площадь составила около 400 000 квадратных километров (примерно размер Калифорнии) — явное увеличение.
Это второй тест теоремы о площади чёрной дыры; первоначальный тест был проведён в 2021 году с использованием данных первого сигнала GW150914, но из-за того, что эти данные были не такими чистыми, результаты имели уровень достоверности 95% по сравнению с 99,999% для новых данных.
Торн вспоминает, как Хокинг позвонил ему, чтобы спросить, сможет ли LIGO проверить его теорему сразу после того, как узнал об обнаружении гравитационных волн в 2015 году. Хокинг умер в 2018 году и, к сожалению, не дожил до того, чтобы увидеть, как его теория была подтверждена наблюдениями. «Если бы Хокинг был жив, он бы радовался, увидев, как увеличилась площадь объединённых чёрных дыр», — говорит Торн.