Самый четкий сигнал гравитационных волн раскрывает природу черных дыр
Спустя десять лет после обнаружения первой гравитационной волны ученые обнаружили рябь в пространстве-времени, которая позволяет по-новому взглянуть на черные дыры и законы физики.
В космической тишине, где звуки не могут распространяться, Вселенная все же нашептывает свои тайны — через рябь в самой ткани пространства-времени. Десять лет назад человечество впервые услышало этот шепот: 14 сентября 2015 года был зафиксирован исторический сигнал гравитационных волн от слияния двух черных дыр. Это открытие, совершенное коллаборацией LIGO-Virgo, стало началом новой эры в астрономии — эры, когда мы больше не просто смотрим на небо, но и «ощущаем» его. Сегодня, спустя десятилетие после этого прорыва, ученые снова стоят на пороге великих откровений. Благодаря обнаружению одного из самых мощных и четких сигналов гравитационных волн — GW250114 — подтверждены две фундаментальные теории, о которых долгое время говорили лишь как о математических красотах или смелых предположениях: одна принадлежит легендарному Стивену Хокингу, другая — менее известному, но не менее гениальному Рою Керру. Этот сигнал стал не просто очередной записью в каталоге космических событий, а беспрецедентным экспериментом, проверяющим самые глубокие законы физики в условиях, недоступных ни одной лаборатории.
Сигнал GW250114 был зарегистрирован 14 января 2025 года двумя детекторами LIGO и стал самым «громким» гравитационно-волновым событием из всех, когда-либо обнаруженных. Его отношение сигнал/шум достигло впечатляющих 80 единиц — это в несколько раз выше, чем у большинства других наблюдений. Такая высокая четкость позволила исследователям провести самые строгие на сегодняшний день проверки общей теории относительности и термодинамики черных дыр. Международная команда ученых опубликовала свои результаты в журнале Physical Review Letters, подчеркнув, что GW250114 открывает новую главу в понимании природы черных дыр.
Одним из главных достижений стало подтверждение предсказания Стивена Хокинга, сделанного им еще в 1971 году. Он утверждал, что при слиянии двух черных дыр общая площадь горизонта событий образовавшейся черной дыры не может быть меньше суммы площадей исходных объектов — она только возрастает. Это утверждение, известное как теорема о неуменьшаемости площади горизонта событий, напрямую связано с термодинамикой черных дыр: если рассматривать площадь горизонта как аналог энтропии, то ее рост соответствует второму закону термодинамики.
В случае GW250114 начальные черные дыры, каждая массой около 32 солнечных, имели суммарную площадь горизонта событий, сравнимую с территорией Великобритании — примерно 240 000 квадратных километров. После слияния конечная черная дыра оказалась массивнее и, что важнее, ее горизонт событий расширился до 400 000 квадратных километров — почти размером со Швецию. Эти цифры не просто красочные сравнения: они — прямое подтверждение того, что Вселенная действительно следует правилам, выведенным Хокингом полвека назад.
Но этим открытие не ограничилось. Ученые также смогли впервые с беспрецедентной точностью подтвердить так называемую керровскую природу черных дыр. В 1963 году новозеландский математик Рой Керр предложил решение уравнений Эйнштейна, описывающее вращающуюся черную дыру — метрику Керра. В отличие от статичной черной дыры Шварцшильда, керровская черная дыра искажает пространство-время вокруг себя особым образом: она буквально затягивает пространство в своем вращении, создавая эффект, известный как «перетаскивание кадра» (frame-dragging).
Метрика Керра предсказывает уникальные явления, такие как наличие эргосферы, замедление времени и даже возможность существования замкнутых траекторий света, которые могут порождать множественные отображения удаленных объектов. Но самое удивительное — согласно этому решению, любая вращающаяся черная дыра в пустоте полностью определяется всего двумя параметрами: своей массой и моментом вращения. Никаких других характеристик — ни химического состава, ни внутренней структуры, ни истории формирования — не требуется. Это знаменитый принцип «у черных дыр нет волос», означающий их абсолютную простоту по сравнению с другими астрономическими объектами.
Благодаря исключительной четкости сигнала GW250114, ученые впервые смогли выделить два различных «тона» в гравитационных волнах, испускаемых черной дырой в фазе затухания — так называемой фазе рингдауна. Когда черная дыра образуется после слияния, она не сразу успокаивается, а колеблется, как ударенный колокол, излучая гравитационные волны на характерных частотах. Эти «голоса» содержат информацию о свойствах новорожденной черной дыры. Анализ показал, что оба тона точно соответствуют предсказаниям метрики Керра: их частоты и скорость затухания идеально согласуются с тем, что должно быть у черной дыры заданной массы и вращения. Это стало первым прямым подтверждением того, что реальные черные дыры во Вселенной действительно ведут себя так, как предсказывает решение Керра, — то есть являются чистыми, простыми и управляемыми законами общей теории относительности объектами.
Участники проекта подчеркивают, что такой уровень точности стал возможен благодаря колоссальному технологическому прогрессу за последние годы. Как отметил Грегорио Карулло, координатор группы по анализу LVK (LIGO/Virgo/KAGRA), возможность выделить два тона в сигнале — это не просто технический успех, а качественный скачок в понимании природы черных дыр. Патрисия Шмидт добавила, что повторное обнаружение события, похожего на первое открытие GW150914, но в три раза более мощного, символизирует зрелость гравитационно-волновой астрономии: мы не просто регистрируем редкие вспышки, а начинаем строить систематическую картину Вселенной, основанную на гравитационных сигналах.
Открытие GW250114 — это не просто подтверждение старых теорий, а демонстрация того, как современная наука превращает абстрактные математические идеи в наблюдаемые факты. Оно связывает между собой работы Эйнштейна, Хокинга и Керра, показывая, что даже самые парадоксальные предсказания общей теории относительности оказываются верными в условиях невероятных гравитационных полей. Более того, эти результаты прокладывают путь к будущим исследованиям квантовой гравитации: поскольку площадь горизонта связана с энтропией, а энтропия — с информацией, каждый новый сигнал приближает нас к разгадке одной из величайших загадок физики — что происходит с информацией, попадающей в черную дыру.