Астрономы впервые "услышали звон" новорождённой чёрной дыры

Первый в истории всплеск гравитационных волн был зафиксирован в 2015 году.

Иллюстрация EPA.

Учёные различили гравитационные волны, исходящие от чёрной дыры, образовавшейся в результате столкновения.

Иллюстрация MIT.

Повторный анализ данных о первом в истории зарегистрированном всплеске гравитационных волн подарил астрофизикам новые открытия. Учёные обнаружили "звон" чёрной дыры, проверили теорию Эйнштейна и впервые прямо доказали, что у чёрных дыр нет волос.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале, принятой к публикации в журнал Physical Review Letters. Пока же можно ознакомиться с её препринтом.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали об общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и о гравитационных волнах. Напомним, что последние порождаются любым массивным телом, которое движется с ускорением. Но эти колебания силы тяжести чрезвычайно слабы. Лишь при астрономических катаклизмах получается сигнал, доступный для регистрации существующими приборами.

Человечество начало регистрировать гравитационные всплески, как только инструменты достигли нужной чувствительности. Первое такое событие было зафиксировано 14 сентября 2015 года, что и отразилось в его обозначении (GW150914). С тех пор подобные явления наблюдались многократно.

Напомним, что речь идёт о столкновении и слиянии чёрных дыр или нейтронных звёзд. В результате этого образуется новая чёрная дыра или нейтронная звезда.

До сих пор специалисты изучали лишь гравитационные волны, испущенные сталкивающимися телами непосредственно в момент слияния. Между тем, согласно ОТО, чёрная дыра, родившаяся в результате такого катаклизма, тоже должна быть мощным источником гравитационных волн. Причём частота и скорость затухания этих волн однозначно связаны с её массой и скоростью вращения вокруг своей оси.

Астрофизики очень хотели бы изучить эти волны. Ведь любимое занятие специалистов по гравитации – проверять ОТО всеми мыслимыми способами. поясним, что учёные надеются обнаружить-таки ситуацию, в которой эта теория не сработает, и с чистой совестью заявить о необходимости создания новой физики.

Жить в мире, который настоятельно требует объяснения, им было бы гораздо интереснее, чем снова и снова восторгаться проницательностью Эйнштейна. И пока ОТО безукоризненно проходит все тесты, эксперты азартно изобретают новые.

В данном случае речь идёт о важной теореме ОТО, известная по афористичной формулировке "у чёрной дыры нет волос". Она математически доказана теоретиками, но до сего дня не была прямо проверена экспериментом или астрономическим наблюдением.

Согласно этой теореме, чёрная дыра характеризуется только тремя величинами: массой, моментом импульса (грубо говоря, скоростью вращения вокруг своей оси) и электрическим зарядом. При этом заряд можно исключить, так как астрономические объекты как целое фактически получаются не заряженными.

Если у двух чёрных дыр совпадают вышеперечисленные параметры, то нет никакой возможности их различить. Все остальные характеристики ("волосы") при превращении объекта в чёрную дыру безвозвратно теряются. С этим связан очень интересный парадокс об исчезновении информации, о котором мы тоже рассказывали.

Итак, представим себе, что чёрная дыра испускает гравитационные волны не так, как ей следует согласно уравнениям ОТО при её массе и скорости вращения. Что это может означать? Возможно, неверна теорема об отсутствии волос, и у чёрной дыры есть ещё какие-то характеристики, влияющие на свойства создаваемых ею волн.

Кроме того, не исключено, что астрономы и вовсе наблюдают не чёрную дыру, а что-то очень на неё похожее из зоопарка объектов, существование которых пока не доказано. Это может быть, например, вход в червоточину или нечто ещё более экзотическое.

Учёные различили гравитационные волны, исходящие от чёрной дыры, образовавшейся в результате столкновения.

Однако подобные наблюдения ещё совсем недавно считались технически нереализуемыми. Эксперты не видели никакой возможности различить "звон" новорождённой чёрной дыры в "грохоте" породившего её столкновения. Когда же "стихает" второй, первый тоже становится неразличимо слабым.

Однако некоторое время назад физики во главе с Мэттью Гислером (Matthew Giesler) из Калифорнийского технологического института приободрили коллег. Согласно результатам их компьютерного моделирования, гравитационное излучение "младенца" всё-таки можно различить. В своей модели специалисты выделили его из обертонов волн, испущенных сразу после слияния.

В новом исследовании Гислер и соавторы применили свой подход к реальным наблюдательным данным о GW150914.

"Это [достижение] интересно для сообщества, поскольку показывает, что подобные исследования возможны уже сейчас, а не через двадцать лет", – поясняет первый автор статьи Максимилиано Изи (Maximiliano Isi) из Массачусетского технологического института.

Исследователи сконцентрировались на нескольких миллисекундах принятого сигнала. Учёные выделили из него два тона, порождённых только что появившейся чёрной дырой. По этим данным авторы рассчитали её массу и скорость вращения согласно уравнениям ОТО. И… сенсации не случилось. Эти результаты полностью совпали с цифрами, полученными независимыми исследователями другими методами.

"Мы все ожидаем, что общая теория относительности верна, но мы впервые подтверждаем это таким образом, – рассказывает Изи. – Это первое экспериментальное измерение, в котором непосредственно проверяется теорема об отсутствии волос".

Итак, ОТО с честью выдержала новое испытание. Однако в экспериментальной науке не бывает окончательных теорий. Когда детекторы гравитационных волн станут ещё более чувствительными, можно будет различить ещё больше тонов и вновь проверить творение Эйнштейна на прочность.

"В будущем у нас будут лучшие детекторы на Земле и в космосе, и мы сможем наблюдать не только две, но десятки мод и точно определять их свойства, – надеется Изи. – Если это не чёрные дыры, как предсказывает [теория] Эйнштейна, если они являются более экзотическими объектами, такими как червоточины или бозонные звёзды, они могут "звучать" по-разному, и у нас будет шанс обнаружить это".