Новые наблюдения слияния двух черных дыр подтвердили предсказания, сделанные десятилетия назад Альбертом Эйнштейном, Стивеном Хокингом и Роем Керром.
Десять лет назад ученые впервые уловили рябь в ткани пространства-времени, известную как гравитационные волны, возникшую в результате столкновения двух черных дыр. Теперь, благодаря усовершенствованным приборам и удачному стечению обстоятельств, недавно наблюдавшееся слияние черных дыр предлагает наиболее полное представление о том, как ведут себя черные дыры, и в процессе этого предоставляет долгожданное подтверждение ключевых предсказаний Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга.
Последние измерения были получены Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), а анализ проводился под руководством астрофизиков Максимилиано Иси и Уилла Фарра из Центра вычислительной астрофизики Института Флатирона в Нью-Йорке. Результаты проливают свет на свойства черных дыр и фундаментальную структуру пространства-времени, указывая на возможные точки соприкосновения между квантовой физикой и общей теорией относительности Эйнштейна.
«Это самое ясное представление о природе черных дыр на сегодняшний день», — говорит Иси, который также является доцентом Колумбийского университета. «Мы нашли одни из самых убедительных доказательств того, что астрофизические черные дыры — это именно те черные дыры, которые предсказаны теорией общей относительности Альберта Эйнштейна».
Результаты были недавно опубликованы в журнале Physical Review Letters коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA.
Содержание
Черные дыры и гравитационные волны
Для массивных звезд черные дыры являются последним этапом их жизненного цикла. Их гравитация настолько сильна, что даже свет не может из них выйти. Когда две черные дыры сталкиваются, они искривляют само пространство и генерируют гравитационные волны, которые распространяются по всему космосу, подобно тому, как звенит колокол после удара.
Эти деформирующие пространство волны, называемые гравитационными волнами, могут многое рассказать ученым об объектах, которые их создали. Подобно тому, как большой железный колокол издает другие звуки, чем меньший алюминиевый колокол, «звук», издаваемый слиянием черных дыр, специфичен для свойств участвующих черных дыр.
Ученые могут обнаруживать гравитационные волны с помощью специальных приборов в обсерваториях, таких как LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии. Эти приборы тщательно измеряют время, необходимое лазеру для прохождения заданного пути. По мере того, как гравитационные волны растягивают и сжимают пространство-время, длина прибора, а следовательно, и время прохождения света, незначительно изменяется. Измеряя эти крошечные изменения с большой точностью, ученые могут использовать их для определения характеристик черных дыр.
Недавно зарегистрированные гравитационные волны, как было установлено, появились в результате слияния, которое сформировало черную дыру массой в 63 Солнца и вращающуюся со скоростью 100 оборотов в секунду. Открытие произошло спустя 10 лет после того, как LIGO впервые обнаружила слияние черных дыр. С момента этого знаменательного открытия улучшения в оборудовании и методах позволили ученым получить гораздо более четкое представление об этих сотрясающих пространство событиях.
«Новая пара черных дыр почти идентична историческому первому обнаружению в 2015 году», — говорит Иси. «Но приборы стали намного лучше, поэтому мы можем анализировать сигнал способами, которые просто были невозможны 10 лет назад».
С помощью этих новых сигналов Иси и его коллеги получили полное представление о столкновении с того момента, как черные дыры впервые столкнулись друг с другом, до окончательных отголосков, когда слившаяся черная дыра приняла новое состояние, что произошло всего через миллисекунды после первого контакта.
Ранее окончательные отголоски было трудно уловить, так как к тому моменту звон черной дыры становился очень слабым. В результате ученые не могли отделить звон столкновения от звона самой конечной черной дыры.
Разгадывая звон черных дыр
В 2021 году Иси возглавил исследование, продемонстрировавшее передовой метод, разработанный им, Фарром и другими для выделения определенных частот — или «тонов» — с использованием данных слияния черных дыр 2015 года. Этот метод оказался мощным, но измерения 2015 года были недостаточно ясными, чтобы подтвердить ключевые предсказания о черных дырах. Однако с новыми, более точными измерениями Иси и его коллеги были более уверены, что успешно выделили миллисекундный сигнал конечной, установившейся черной дыры. Это позволило провести более однозначные тесты природы черных дыр.
«Десять миллисекунд кажутся очень коротким сроком, но наши приборы стали настолько совершеннее, что этого времени достаточно, чтобы по-настоящему проанализировать звон последней чёрной дыры», — говорит Иси. «С этим новым обнаружением мы имеем чрезвычайно подробное представление о сигнале как до, так и после слияния черных дыр».
Новые наблюдения позволили ученым проверить ключевое предположение, датируемое десятилетиями, о том, что черные дыры являются фундаментально простыми объектами. В 1963 году физик Рой Керр использовал общую теорию относительности Эйнштейна, чтобы математически описать черные дыры одним уравнением. Уравнение показало, что астрофизические черные дыры могут быть описаны всего двумя характеристиками: спином и массой. С новыми, более качественными данными ученые смогли измерить частоту и продолжительность звона слившейся черной дыры с большей точностью, чем когда-либо прежде. Это позволило им увидеть, что, действительно, слившаяся черная дыра является простым объектом, описываемым только ее массой и спином.
Наблюдения также использовались для проверки фундаментальной идеи, предложенной Стивеном Хокингом, называемой теоремой площади Хокинга. Она утверждает, что размер горизонта событий черной дыры — границы, за которой ничто, даже свет, не может вернуться — может только увеличиваться. Проверка применимости этой теоремы требует исключительных измерений черных дыр до и после их слияния. После первого обнаружения слияния черных дыр в 2015 году Хокинг задался вопросом, можно ли использовать сигнатуру слияния для подтверждения его теоремы. В то время никто не думал, что это возможно.
К 2019 году, через год после смерти Хокинга, методы достаточно усовершенствовались, чтобы первое предварительное подтверждение было получено с использованием методов, разработанных Иси, Фарром и их коллегами. С четырехкратным улучшением разрешения новые данные дают ученым гораздо больше уверенности в правильности теоремы Хокинга.
Черные дыры и стрела времени
Подтверждая теорему Хокинга, результаты также указывают на связь со вторым законом термодинамики. Этот закон гласит, что свойство, измеряющее беспорядок системы, известное как энтропия, должно увеличиваться или, по крайней мере, оставаться постоянным с течением времени. Понимание термодинамики черных дыр может привести к достижениям в других областях физики, включая квантовую гравитацию, которая стремится объединить общую теорию относительности с квантовой физикой.
«То, что размер горизонта событий чёрной дыры ведёт себя подобно энтропии, действительно важно», — говорит Иси. «Это имеет очень глубокие теоретические последствия и означает, что некоторые аспекты черных дыр могут быть использованы для математического исследования истинной природы пространства и времени».
Многие подозревают, что будущие обнаружения слияний черных дыр только больше раскроют природу этих объектов. Ожидается, что в следующем десятилетии детекторы станут в 10 раз более чувствительными, чем сегодня, что позволит проводить более строгие проверки характеристик черных дыр.
«Прослушивание тонов, издаваемым этими черными дырами, — наша главная надежда на изучение свойств экстремальных пространств-времен, которые они производят», — говорит Фарр, который также является профессором Университета Стоуни-Брук. «И по мере того, как мы строим все больше и лучше гравитационно-волновых детекторов, точность будет повышаться».
«Долгое время эта область оставалась лишь математическими и теоретическими спекуляциями», — говорит Иси. «Но теперь мы находимся в положении, когда фактически видим эти удивительные процессы в действии, что подчеркивает, какой огромный прогресс был достигнут — и будет продолжаться — в этой области».
Читайте также: Что же такое пространство-время?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.