Гравітаційна хвиля від зіткнення чорних дір підтверджує теорії Гокінга й Керра

Вчені підтвердили дві давні теорії, пов′язані з чорними дірами, завдяки виявленню найчіткішого на сьогодні сигналу гравітаційних хвиль.

Про це розповідають у Бірмінгемському університеті, передають OstanniPodii.com.

Через десять років після виявлення першої гравітаційної хвилі колаборація LIGO-Virgo-KAGRA оголосила про виявлення GW250114 — хвилі в просторі-часі, яка дає безпрецедентні уявлення про природу чорних дір і фундаментальні закони фізики.

Дослідження підтверджує прогноз професора Стівена Гокінга 1971 року, що при зіткненні чорних дір загальна площа горизонту подій утвореної чорної діри більша за суму окремих чорних дір – вона не може зменшуватися.

Дослідження також підтвердило природу чорних дір за Керром – аналітичне рішення рівнянь Ейнштейна, розроблене у 1963 році новозеландським математиком Роєм Керром, який елегантно пояснює, як виглядають простір і час поблизу обертової чорної діри. Метрика Керра передбачає такі ефекти, як «перетягування» простору та петлеве світло, що створює багато копій об′єктів.

Опублікувавши свої висновки в журналі Physical Review Letters, міжнародна група дослідників зазначає, що GW250114 була виявлена зі співвідношенням сигнал/шум 80. Така чіткість дозволила провести точні випробування загальної теорії відносності та термодинаміки чорних дір.

«GW250114 — це найгучніша гравітаційна хвиля, яку ми виявили на сьогодні, вона була схожа на шепіт, що перетворився на крик. Це дало нам безпрецедентну можливість перевірити теорії Ейнштейна за допомогою найсуворіших випробувань — підтвердивши одне з піонерських передбачень Стівена Гокінга про те, що коли чорні діри зливаються, сукупна площа їх горизонтів подій може тільки збільшуватися, але ніколи не зменшуватися», - сказав Джерайнт Праттен, член Університету Королівського товариства — Бірмінгемського університету.

GW250114 була зафіксована подвійними детекторами Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) у США. LIGO працює у співпраці з двома міжнародними партнерами, детектором гравітаційних хвиль Virgo в Італії та KAGRA в Японії, утворюючи мережу пошуку гравітаційних хвиль, відому як LVK (LIGO, Virgo, KAGRA).

Команда LVK, до складу якої входять представники Бірмінгемського університету, встановила, що GW250114 була згенерована зіткненням двох чорних дір, маса яких приблизно у 32 рази перевищувала масу нашого Сонця.

LIGO виявляє гравітаційні хвилі, що проходять через Землю кожні кілька днів, але GW250114 виявилася особливою. Дані показують, що початкові чорні діри мали загальну площу приблизно розміром з Великобританію (240 000 квадратних кілометрів), а кінцева площа становила близько 400 000 квадратних кілометрів (приблизно розміром зі Швецію).

У 1970-х роках Гокінг і фізик Джейкоб Бекенштайн дійшли висновку, що площа чорної діри пропорційна її ентропії, або ступеню безладу, проклавши шлях для пізніших революційних досліджень у галузі квантової гравітації, які намагаються об′єднати два стовпи сучасної фізики: загальну теорію відносності та квантову фізику.

Після злиття чорних дір, під час того, що фізики називають фазою згасання, остаточна чорна діра вібрує, випромінюючи гравітаційні хвилі на певних частотах, як характерні звуки, які видає дзвін при ударі, «голоси» чорної діри.

Рішення Роя Керра передбачає, що чорна діра та її «голоси» при збуренні описуються лише двома числами: масою та спіном чорної діри. Наслідки цього революційного результату виділяють чорні діри серед інших небесних об′єктів: зорю можна описати лише за допомогою дуже великого набору складних властивостей, тоді як навіть чорні діри, маса яких у мільйон разів перевищує масу Сонця, дивовижно описуються лише двома простими числами — масою та спіном.

Грегоріо Карулло, доцент Бірмінгемського університету та координатор однієї з груп аналізу LVK, прокоментував: «З огляду на чіткість сигналу, виробленого GW250114, ми вперше змогли виділити два «тони» з голосів чорних дір і підтвердити, що вони поводяться відповідно до передбачень Керра, отримавши безпрецедентні переконливі докази природи чорних дір, виявлених у природі, згідно з теорією Керра».

Результати опубліковані майже рівно через десять років після першого знакового спостереження гравітаційних хвиль. 14 вересня 2015 року на Землю надійшов сигнал, що містив інформацію про пару віддалених чорних дір, які оберталися по спіралі та злилися разом.

Це історичне відкриття, до якого дослідники з Бірмінгема зробили значний внесок, розробивши апаратне забезпечення для детекторів LIGO, високоточні моделі гравітаційних хвиль, що генеруються злиттям чорних дір, та методи аналізу для виокремлення з даних властивостей чорних дір, означало, що вчені тепер можуть відчувати Всесвіт трьома різними способами.

«Виявлення подвійної чорної діри з параметрами, схожими на [перше пряме виявлення гравітаційних хвиль] GW150914, але втричі сильнішої, лише через десять років після проривного відкриття стало можливим завдяки значним технологічним вдосконаленням наших інструментів, що проклало шлях для прецизійної астрономії з використанням гравітаційних хвиль», - зазначила д-р Патрісія Шмідт, співголова аналітичної групи LVK та доцент Бірмінгемського університету.

Аміт Сінг Убхі, член команди з приладобудування Бірмінгемського університету, яка надала ключове обладнання, що зробило таке відкриття можливим, додав: «Винятковий коефіцієнт сигнал/шум GW250114 демонструє колективні досягнення в галузі гравітаційно-хвильового приладобудування в нашій спільноті. Ця безпрецедентна чіткість дозволяє нам досліджувати еволюцію чорних дір з неперевершеною точністю, демонструючи вплив передових технологій на наше розуміння фундаментальних законів природи».

• Чорні діри
• гравітаційна хвиля