Космический апокалипсис в прямом эфире: столкновение чёрных дыр, потрясшее науку

Представьте: две гигантские чёрные дыры, каждая массой в десятки солнц, кружат друг вокруг друга в далёкой галактике и в итоге сливаются в одну. Это не фантастика, а реальность, которую мы только что подтвердили. Спустя почти десять лет после первого обнаружения гравитационных волн, учёные зафиксировали самый сильный сигнал такого рода. Он не просто потряс научный мир — он по-новому проверил теории Эйнштейна и Хокинга. Давайте разберёмся, что именно произошло и почему это так важно.

Что за событие?

Сигнал был пойман Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO). Эта обсерватория состоит из двух L-образных интерферометров в Луизиане и штате Вашингтон. Лазерный луч резонирует вдоль 4-километровых "плеч" этих приборов, улавливая крошечные растяжения пространства — менее 1/100 ширины протона. В этот раз сигнал пришёл от слияния двух чёрных дыр с массами 33,6 и 32,2 солнечных масс.

Массы этих чёрных дыр похожи на те, что вызвали первое событие LIGO 14 сентября 2015 года. Но детекторы стали чувствительнее в три раза, а отношение сигнал/шум достигло 80. Это позволило изучить сигнал с невероятной детализацией.

"Звон" чёрной дыры после слияния

После слияния горизонт событий новой чёрной дыры — та граница, где даже свет не может вырваться, — кратко вибрирует, как колокол. В этом случае частота была 247 колебаний в секунду, и "звон" длился около 10 миллисекунд. Основное колебание сопровождается обертонами — более низкими частотами, которые быстро затухают. Эти обертоны ключевы для проверки общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна.

Анализ события подтвердил теорему Стивена Хокинга: площадь поверхности чёрной дыры может только увеличиваться, никогда не уменьшаться. Площадь финальной чёрной дыры составила около 400 000 квадратных километров — как площадь Японии. Она превысила сумму площадей исходных дыр, хотя масса финальной была меньше из-за излучения энергии в виде гравитационных волн.

"Это настолько фундаментальная, чистая теорема общей теории относительности, что увидеть её подтверждение — просто фантастика", — говорит Клиффорд Уилл, специалист по теории гравитации из Университета Флориды.

Это один из фактов, позволяющих утверждать, что мы действительно наблюдаем чёрные дыры.

Как чёрные дыры "звучат" и что это значит

Согласно ОТО, чёрная дыра описывается всего двумя параметрами: массой и спином. Частоты и скорости затухания обертонов должны быть математически связаны. Сравнение с основным тоном помогает проверить предсказания теории.

"Чёрные дыры не звенят, они глухо стучат", — говорит Скотт Хьюз, теоретик из Массачусетского технологического института.

Другие слияния давали лишь намёки на обертоны, но здесь он чётко выделен.

"Это однозначно", — утверждает Катерина Хатзиоанну, физик и член LIGO в Калифорнийском технологическом институте. Частоты тона и обертона совпали с предсказаниями ОТО.

Визуализация и нюансы анализа

Растяжение пространства при новом слиянии похоже на первое событие, но благодаря снижению шума сигнал гораздо чётче.

LIGO использует моделирование на основе ОТО, что может вносить ошибки. Чтобы их избежать, учёные анализировали только "кольцо" в сигнале.

"Именно это и делает возможным всё это", — говорит Максимилиано Изи, физик LIGO из Института Флэтайрон.

Однако Франс Преториус, специалист по теории гравитации из Принстонского университета, отмечает: в анализ может быть заложена систематическая ошибка.

По мере роста чувствительности LIGO чёрные дыры становятся объектом эмпирического изучения. Это качественное изменение, ставшее возможным благодаря количественному. Будущие обсерватории позволят увидеть больше мод и обертонов. Возможно, есть надежда, что ОТО не совсем верна, и в какой-то момент мы получим достаточно точные измерения, чтобы начать видеть аномалию.