50-летняя теорема Стивена Хокинга о том, как сливаются черные дыры, была успешно проверена благодаря огромным достижениям в области гравитационно-волновой астрономии, которые помогли астрономам уловить волны, вызванные необычайно мощным столкновением, когда они пролетали мимо Земли со скоростью света.
В 1971 году Хокинг предложил теорему о площади чёрной дыры, которая гласит, что при слиянии двух чёрных дыр горизонт событий образовавшейся чёрной дыры – граница, за пределами которой даже свет не может вырваться из объятий чёрной дыры – не может иметь площадь меньше суммы площадей двух исходных чёрных дыр. Эта теорема перекликается со вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия, или беспорядок внутри объекта, никогда не уменьшается.
Слияния чёрных дыр деформируют ткань Вселенной, создавая мельчайшие флуктуации пространства-времени, известные как гравитационные волны, которые распространяются по Вселенной со скоростью света. Пять гравитационно-волновых обсерваторий на Земле охотятся за волнами, размер которых в 10 000 раз меньше размера ядра атома. К ним относятся два детектора Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США, а также детектор Virgo в Италии, KAGRA в Японии и GEO600 в Германии, управляемые международным проектом LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).
Недавнее столкновение, получившее название GW250114, было практически идентично тому, которое создало первые гравитационные волны, наблюдавшиеся в 2015 году. В обоих столкновениях участвовали чёрные дыры с массой от 30 до 40 масс нашего Солнца, и они произошли на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от нас.
На этот раз чувствительность обновлённых детекторов LIGO была в три раза выше, чем в 2015 году, что позволило им зафиксировать волны, исходящие от столкновения, с беспрецедентной детализацией. Это позволило исследователям проверить теорему Хокинга, рассчитав, что площадь горизонта событий действительно увеличилась после слияния.
Сталкиваясь, чёрные дыры создают гравитационные волны с обертонами, напоминающими звон колокола, говорит Лора Наттолл из Портсмутского университета (Великобритания), член группы LVK. Ранее эти обертоны рассеивались слишком быстро, чтобы их можно было наблюдать с достаточной чёткостью для расчёта площади горизонтов событий до и после столкновений, что было необходимо для проверки теории Хокинга. Исследование 2021 года, посвящённое первому обнаруженному столкновению, подтвердило теорию с уровнем достоверности 95%, но новое исследование повышает эту уверенность до убедительных 99,999%.
За время наблюдения за гравитационными волнами учёные зафиксировали около 300 столкновений чёрных дыр. Но ни одно из них не было зафиксировано с такой же интенсивностью и чёткостью, как GW250114, которая была вдвое громче любой другой гравитационной волны, зарегистрированной на сегодняшний день.
«Те, что находятся очень, очень близко — очень, очень громкие в наших данных — именно с них мы можем начать исследовать фундаментальную физику происходящего, просто потому что они такие громкие, а неопределённости так малы. Таким образом, мы можем начать выявлять мельчайшие детали происходящего», — говорит Наттолл. «Мы просто ждем, когда природа продолжит дарить нам все эти прекрасные вещи».
Когда волны от GW250114 достигли Земли, работал только LIGO, а не другие детекторы, отслеживаемые коллаборацией LVK. Это не повлияло на проверку теории Хокинга, но привело к тому, что исследователи не смогли более точно определить источник волн в небе.
Модернизация LIGO и других запланированных обсерваторий, которые должны быть введены в эксплуатацию в будущем, обеспечит еще большую чувствительность и позволит нам глубже изучить физику черных дыр, говорит Ян Гарри, также работающий в Университете Портсмута и являющийся частью команды LVK.
«Возможно, мы не получим их все, но подобное событие повторится», — говорит Гарри. «Возможно, со следующим набором обновлений, например, в 2028 году, мы увидим что-то подобное, и тогда, возможно, именно на уровне чувствительности мы сможем действительно находить уязвимости».
Результаты исследования открывают путь к новым исследованиям квантовой гравитации, с помощью которых физики надеются объединить общую теорию относительности и квантовую физику. Наттолл говорит, что 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 начать замечать, что все перестает функционировать как надо, и это произойдет, когда мы получим очень близкие сигналы, которые будут казаться чрезвычайно громкими в наших данных, поскольку чувствительность приборов возрастет», — говорит Наттолл.
Последние данные LVK также позволили учёным подтвердить уравнения математика Роя Керра, выведенные в 1960-х годах, которые предсказывали, что чёрные дыры можно охарактеризовать всего двумя метриками: массой и спином. По сути, две чёрные дыры с одинаковой массой и спином математически идентичны. Благодаря наблюдениям за GW250114 мы теперь знаем, что это так.
