Столкновение черных дыр, «звенящих» в пространстве и времени, подтверждает правильность теорий Хокинга и Эйнштейна
И снова оказывается, что известный физик-теоретик Стивен Хокинг был прав. Ах да, и Альберт Эйнштейн тоже.
Ученые из Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории Национального научного фонда США (LIGO) обнаружили гравитационную волну — возмущение пространства-времени, вызванное чрезвычайно энергичными процессами, такими как слияние двух черных дыр или столкновение двух плотных нейтронных звезд.
Оказывается, гравитационная волна возникла из-за столкновения двух черных дыр, находящихся примерно в 1,3 миллиарда световых лет от Земли и имеющих массу примерно в 30 раз больше массы нашего Солнца, в результате чего образовалась еще одна черная дыра, получившая обозначение GW250114.
Это не является чем-то необычным для детекторов LIGO , один из которых расположен в Ханфорде, штат Вашингтон, а другой — в Ливингстоне, штат Луизиана, и которые обнаружили около 300 подобных интенсивных взаимодействий. Но на этот раз исследователям удалось узнать гораздо больше, чем раньше.
Слияние этих конкретных черных дыр создало то, что ученые называют «звоном», который производил два разных тона, что позволило исследователям подтвердить, что черную дыру можно определить с помощью всего двух свойств: массы и спина, что было предсказано математиком Роем Керром в 1963 году.
«Одно из предсказанных свойств, присущих только черной дыре, заключается в том, что… это как если бы вы ударили по камертону, он бы издавал звуки на определенных частотах, и эти колебания были бы расположены через определенные промежутки времени», — говорит Джесс Макайвер, один из соавторов исследования, которая также является доцентом Университета Британской Колумбии.
«Это своего рода отпечаток пальца чёрной дыры. Поскольку этот сигнал был таким громким, таким великолепным и громким, мы смогли очень точно его различить».
Макс Изи, доцент Колумбийского университета и соавтор исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters , объяснил это подробнее.
«Существуют две отдельные моды колебаний, два тона: основной тон и обертон», — сказал он.
По его словам, совпадение тонов доказывает решение Керра. Если бы тоны были другими, это означало бы, что для описания чёрной дыры необходимы другие свойства.
Это доказало правоту Керра и Эйнштейна в их предсказаниях относительно чёрных дыр. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывала существование чёрных дыр. Причём в случае Керра его расчёты были сосредоточены именно на вращающихся чёрных дырах.
Теорема Хокинга о площадиСлияние также подтвердило теорему Хокинга о площадях, которая гласит, что при слиянии двух черных дыр горизонт событий — или область вокруг черной дыры, из которой не может выйти ни свет, ни излучение — никогда не может уменьшиться, а только увеличиться.
После слияния двух чёрных дыр учёные смогли использовать звон, чтобы определить окончательный размер горизонта событий, который также рассматривался как площадь поверхности чёрной дыры. До слияния площадь поверхности каждой чёрной дыры составляла примерно 240 000 квадратных километров. После слияния площадь поверхности новой чёрной дыры составила 400 000 квадратных километров, что подтвердило правоту Хокинга.
«Я полагаю, что Хокинг десятилетиями изучал чёрные дыры, пространство и время как теоретические математические абстракции. И, наконец, возможность увидеть эти процессы своими глазами, знаете ли, это просто поразительно», — сказал Иси.
«Для меня это просто поразительно, и я не могу представить, что он мог бы сделать, ведь он всю жизнь работал над этим. Поэтому очень жаль, что мы не смогли сделать это, пока он был жив».
При этом, в то время как площадь поверхности увеличилась, масса черной дыры на самом деле уменьшилась, что и должно происходить согласно теории.
«Площадь горизонта событий может только расти», — сказала Джанна Левин, астрофизик-теоретик и профессор физики и астрономии в Барнард-колледже Колумбийского университета, которая не принимала участия в исследовании.
«И если бы я представлял это как поглощение одной изначальной чёрной дыры другой, она могла бы только расти, но её масса не равна сумме двух масс. На самом деле она меньше. Она теряет часть энергии E=MC² в гравитационные волны».
Масса каждой чёрной дыры составляла примерно 33 массы Солнца. После слияния масса чёрной дыры составляла 63 массы Солнца.
Аналогичный анализ почти идентичного слияния черных дыр (самое первое было обнаружено в 2015 году ) был проведен в 2021 году. Однако он не дал столь же убедительных доказательств, как этот новый анализ.
Изи объяснил, что, поскольку сигнал от той черной дыры был слабее, ученым все еще оставалось только гадать, но сигнал от недавнего слияния был в четыре раза сильнее.
«Эту работу 2021 года можно рассматривать как демонстрацию того, что нечто подобное возможно, как доказательство принципа», — сказал он, добавив, что данное слияние является «реальным, неопровержимым» доказательством этого.
Обнаружение гравитационной волны в 2015 году принесло исследователям Нобелевскую премию по физике в 2017 году в рамках сотрудничества LIGO-VIRGO. Сегодня в рамках сотрудничества LIGO-VIRGO-KAGRA гравитационные волны регистрируют и другие обсерватории, в том числе одна в Японии.
И Макайвер, и Изи с нетерпением ждут, какие открытия им помогут сделать будущие усовершенствования детекторов.
Макайвер говорит, что независимо от того, сколько раз ученые «анализировали и анализировали эти данные разными способами», чтобы проверить сигнал на соответствие предсказаниям Эйнштейна, Керра и Хокинга, ответ один: они были правы.
«По мере совершенствования детекторов наша уверенность будет расти, и, возможно, мы обнаружим что-то действительно интересное, чего не ожидаем».
cbc.ca
