Гравитационная волна от столкновения черных дыр подтверждает теории Хокинга и Керра

Ученые подтвердили две давние теории, связанные с черными дырами, благодаря обнаружению самого четкого на сегодняшний день сигнала гравитационных волн.

Об этом рассказывают в Бирмингемском университете, передают OstanniPodii.com.

Спустя десять лет после обнаружения первой гравитационной волны коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA объявила об обнаружении GW250114 — волны в пространстве-времени, которая дает беспрецедентные представления о природе черных дыр и фундаментальных законах физики.

Исследование подтверждает прогноз профессора Стивена Хокинга 1971 года, что при столкновении черных дыр общая площадь горизонта событий образованной черной дыры больше суммы отдельных черных дыр — она не может уменьшаться.

Исследование также подтвердило природу черных дыр по Керру – аналитическое решение уравнений Эйнштейна, разработанное в 1963 году новозеландским математиком Роем Керром, которое элегантно объясняет, как выглядят пространство и время вблизи вращающейся черной дыры. Метрика Керра предусматривает такие эффекты, как «перетягивание» пространства и петлевой свет, создающий много копий объектов.

Опубликовав свои выводы в журнале Physical Review Letters, международная группа исследователей отмечает, что GW250114 была обнаружена с соотношением сигнал/шум 80. Такая четкость позволила провести точные испытания общей теории относительности и термодинамики черных дыр.

«GW250114 — это самая громкая гравитационная волна, которую мы обнаружили на сегодняшний день, она была похожа на шепот, превратившийся в крик. Это дало нам беспрецедентную возможность проверить теории Эйнштейна с помощью самых строгих испытаний — подтвердив одно из пионерских предсказаний Стивена Хокинга о том, что когда черные дыры сливаются, совокупная площадь их горизонтов событий может только увеличиваться, но никогда не уменьшаться», — сказал Джерайнт Праттен, член Королевского общества — Бирмингемского университета.

GW250114 была зафиксирована двойными детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США. LIGO работает в сотрудничестве с двумя международными партнерами, детектором гравитационных волн Virgo в Италии и KAGRA в Японии, образуя сеть поиска гравитационных волн, известную как LVK (LIGO, Virgo, KAGRA).

Команда LVK, в состав которой входят представители Бирмингемского университета, установила, что GW250114 была сгенерирована столкновением двух черных дыр, масса которых примерно в 32 раза превышала массу нашего Солнца.

LIGO обнаруживает гравитационные волны, проходящие через Землю каждые несколько дней, но GW250114 оказалась особенной. Данные показывают, что исходные черные дыры имели общую площадь примерно размером с Великобританию (240 000 квадратных километров), а конечная площадь составляла около 400 000 квадратных километров (примерно размером со Швецию).

В 1970-х годах Хокинг и физик Джейкоб Бэкенштейн пришли к выводу, что площадь черной дыры пропорциональна ее энтропии, или степени беспорядка, проложив путь для более поздних революционных исследований в области квантовой гравитации, которые пытаются объединить два столпа современной физики: общую теорию относительности и квантовую физику.

После слияния черных дыр, во время того, что физики называют фазой затухания, окончательная черная дыра вибрирует, излучая гравитационные волны на определенных частотах, как характерные звуки, которые издает звон при ударе, «голоса» черной дыры.

Решение Роя Керра предполагает, что черная дыра и ее «голоса» при возбуждении описываются только двумя числами: массой и спином черной дыры. Последствия этого революционного результата выделяют черные дыры среди других небесных объектов: звезду можно описать только с помощью очень большого набора сложных свойств, тогда как даже черные дыры, масса которых в миллион раз превышает массу Солнца, удивительно описываются только двумя простыми числами — массой и спином.

Грегорио Карулло, доцент Бирмингемского университета и координатор одной из групп анализа LVK, прокомментировал: «Учитывая четкость сигнала, произведенного GW250114, мы впервые смогли выделить два «тона» из голосов черных дыр и подтвердить, что они ведут себя в соответствии с предсказаниями Керра, получив беспрецедентные убедительные доказательства природы черных дыр, обнаруженных в природе, согласно теории Керра».

Результаты опубликованы почти ровно через десять лет после первого знакового наблюдения гравитационных волн. 14 сентября 2015 года на Землю поступил сигнал, содержащий информацию о паре удаленных черных дыр, которые вращались по спирали и слились вместе.

Это историческое открытие, в которое исследователи из Бирмингема внесли значительный вклад, разработав аппаратное обеспечение для детекторов LIGO, высокоточные модели гравитационных волн, генерируемых слиянием черных дыр, и методы анализа для выделения из данных свойств черных дыр, означало, что ученые теперь могут ощущать Вселенную тремя разными способами.

«Обнаружение двойной черной дыры с параметрами, схожими с [первым прямым обнаружением гравитационных волн] GW150914, но в три раза более сильной, только через десять лет после прорывного открытия стало возможным благодаря значительным технологическим усовершенствованиям наших инструментов, что проложило путь для прецизионной астрономии с использованием гравитационных волн», - отметила д-р Патрисия Шмидт, сопредседатель аналитической группы LVK и доцент Бирмингемского университета.

Амит Синг Убхи, член команды по приборостроению Бирмингемского университета, которая предоставила ключевое оборудование, сделавшее такое открытие возможным, добавил: «Исключительный коэффициент сигнал/шум GW250114 демонстрирует коллективные достижения в области гравитационно-волнового приборостроения в нашем сообществе. Эта беспрецедентная четкость позволяет нам исследовать эволюцию черных дыр с непревзойденной точностью, демонстрируя влияние передовых технологий на наше понимание фундаментальных законов природы».

• Черные дыры
• гравитационная волна