Нові спостереження за двома чорними дірами, що зливаються, підтвердили прогнози, зроблені десятиліттями тому Альбертом Ейнштейном, Стівеном Хокінгом та Роєм Керром.
Десятиліття тому вчені вперше взяли брижі в тканині простору-часу, відомого як Гравітаційні хвилівиробляється зіткненням двох чорних дірок. Тепер, за допомогою вдосконаленого інструментації та інсульту удачі, нещодавно спостерігається чорна діра Злиття пропонує найбільш остаточний погляд досі про те, як поводяться чорні дірки-і, в процесі цього, дає давно підтвердження ключових прогнозів Альберта Ейнштейна та Стівена Хокінга.
Останні вимірювання надходять від лазерної інтерферометрової обсерваторії гравітаційної хвилі (Ліго), з аналізами під керівництвом астрофізиків Максиміліано Ісі та Вілл Фарр з Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флатірон. Отримані результати висвітлюють властивості чорної діри та основну структуру простору-часу, що свідчать про можливі точки контакту між квантовою фізикою та загальною відносністю Ейнштейна.
“Це найясніший погляд на природу чорних дірок”, – каже Ісі, який також є доцентом у Колумбійський університет. “Ми знайшли кілька найсильніших доказів, що астрофізичні чорні дірки – це чорні дірки, передбачені теорією Альберта Ейнштейна загальної відносності”.
Результати були нещодавно опубліковані в журналі Листи фізичного огляду Співпраця Ліго-Вірго-Кагра.
Чорні дірки та гравітаційні хвилі
Для масивних зірок чорні дірки відзначають заключний крок у їх життєвих циклах. Їх тяжкість настільки інтенсивна, що навіть світло не може втекти. Коли два чорні дірки стикаються, вони викручують місце і генерують гравітаційні хвилі, які рухаються назовні через космос, подібно до того, як дзвонить дзвін після удару.
Ці брижі з космосами, що називаються гравітаційними хвилями, можуть багато розповісти вченим про об’єкти, які їх створили. Подібно до того, як великий Залізний дзвін видає різні звуки, ніж менший алюмінієвий дзвін, “звук”, який видає чорна діра, є специфічним для властивостей залучених чорних отворів.
Вчені можуть виявити гравітаційні хвилі за допомогою спеціальних інструментів у таких обсерваторах, як Ліго в США, Діва в Італії та Кагра в Японії. Ці інструменти ретельно вимірюють, скільки часу потрібно лазер, щоб пройти заданий шлях. Оскільки гравітаційні хвилі розтягуються і стискають простір-час, довжина інструменту, а отже, час подорожі світла змінюється. Вимірюючи ці крихітні зміни з великою точністю, вчені можуть використовувати їх для визначення характеристик чорних дірок.
Нещодавно повідомлені гравітаційні хвилі були створені об’єднанням, яке утворювало чорну діру з масою 63 сонців і крутиться при 100 обертів в секунду. Отримані результати приходять через 10 років після того, як Ліго здійснив перше виявлення злиття чорної діри. З цього визначного відкриття, вдосконалення обладнання та техніки дозволило вченим отримати набагато чіткіше подивитися на ці події у космосі.
“Нова пара чорних дірок – це майже близнюки до історичного першого виявлення в 2015 році”, – говорить Ісі. “Але інструменти набагато кращі, тому ми можемо проаналізувати сигнал способами, які просто не були можливими 10 років тому”.
З цими новими сигналами Ісі та його колегами повністю ознайомилися з зіткненням з моменту, коли чорні дірки вперше забивалися один до одного, поки остаточні відгуки, коли об’єднана чорна діра не влаштувалася в свій новий стан, що сталося лише мілісекундами після першого контакту.
Раніше остаточне відгук було важко зафіксувати, як і до цього моменту, дзвінок чорної діри було б дуже слабким. Як результат, вчені не змогли відокремити дзвінок зіткнення від кінцевої чорної діри.
Розблокування дзвінка чорних дірок
У 2021 році ISI очолила дослідження, що демонструє передовий метод, який він, Фарр та інші розробляли для ізоляції певних частот-або “тонів”-використовуючи дані з злиття чорної діри 2015 року. Цей метод виявився потужним, але вимірювання 2015 року не були досить зрозумілими, щоб підтвердити ключові прогнози щодо чорних дірок. З новими, точнішими вимірюваннями, ІСІ та його колегами були більш впевнені, що вони успішно ізолювали сигнал довгих мілісекунд про остаточну, врегульовану чорну діру. Це дало змогу більш однозначними випробуваннями природи чорних дірок.
“Десять мілісекунд звучать по -справжньому коротко, але наші інструменти набагато кращі зараз, що це достатньо часу для нас, щоб дійсно проаналізувати дзвонить остаточної чорної діри”, – говорить Ісі. “За допомогою цього нового виявлення ми маємо вишукано детальний вигляд сигналу як до, так і після злиття чорної діри”.
Нові спостереження дозволили вченим перевірити ключову гіпотезу, що датується десятиліттями, що чорні дірки – це принципово прості об’єкти. У 1963 році фізик Рой Керр використовував загальну відносність Ейнштейна з математично описати чорні дірки одним рівнянням. Рівняння показало, що астрофізичні чорні дірки можна описати лише двома характеристиками: спіном та масою. З новими, якісними даними, вчені змогли виміряти частоту та тривалість дзвону об’єднаної чорної діри точніше, ніж будь-коли раніше. Це дозволило їм побачити, що, дійсно, об’єднана чорна діра – це простий об’єкт, описаний лише його масою та обертанням.
Спостереження також використовувались для перевірки основоположної ідеї, запропонованої Стівеном Хокінгом під назвою теорема району Хокінга. У ньому йдеться про те, що розмір горизонту події чорної діри – лінія минулого, що нічого, навіть не світло, не може повернутися – не може коли -небудь рости. Тестування, чи застосовується ця теорема, вимагає виняткових вимірювань чорних дірок до та після їх злиття. Після першого виявлення злиття чорної діри у 2015 році Хокінг замислювався, чи може підписати підпис для підтвердження його теореми. У той час ніхто не думав, що це можливо.
До 2019 року, через рік після смерті Хокінга, методи досить покращилися, щоб перше попереднє підтвердження прийшло за допомогою методів, розроблених ISI, FARR та колегами. З чотирма разами кращою роздільною здатністю нові дані дають вченим набагато більше впевненості, що теорема Хокінга правильна.
Чорні дірки та стрілка часу
Підтверджуючи теорему Хокінга, результати також натякають на з’єднання з другим законом термодинаміки. У цьому законі зазначається, що майно, яке вимірює розлад системи, відомий як ентропія, повинно збільшуватися або принаймні залишатися постійними з часом. Розуміння термодинаміки чорних дірок може призвести до просування в інших сферах фізики, включаючи квантову силу тяжіння, яка має на меті об’єднати загальну відносність з квантовою фізикою.
“Це дійсно глибоке, що розмір горизонту події чорної діри поводиться як ентропія”, – говорить Ісі. “Це має дуже глибокі теоретичні наслідки і означає, що деякі аспекти чорних дірок можуть бути використані для математичного дослідження справжньої природи простору та часу”.
Багато хто підозрює, що майбутні виявлення злиття чорної діри розкриють лише більше про природу цих об’єктів. У наступному десятилітті очікується, що детектори стануть в 10 разів більш чутливі, ніж сьогодні, що дозволяє отримати більш суворі випробування характеристик чорної діри.
“Прослуховування тонів, що випромінюються цими чорними дірками,-це найкраща надія на вивчення властивостей екстремальних просторів, які вони виробляють”,-каже Фарр, який також є професором університету Стоні Брука. “І коли ми будуємо більше та кращі гравітаційні хвильові детектори, точність буде продовжувати вдосконалюватися”.
“Так довго це поле було чистим математичним та теоретичним спекуляцією”, – говорить Ісі. “Але зараз ми в змозі побачити ці дивовижні процеси в дії, які підкреслюють, наскільки прогресу було – і буде продовжуватись бути – у цій галузі”.
Довідка: “GW250114: Тестування закону про територію Хокінга та природи Керра чорних дірок” А. Г. Абака, І. Абуфлетоу, Ф. Акернаєць, К. Аклі, К. Адамчевич, С. Адікарі, Д. Адхікарі, Н. Адхікарі, Р. X. Adhikari, et al. (Співпраця Ligo Scientific, Діва та Кагра), 10 вересня 2025, Листи фізичного огляду.
Doi: 10.1103/kw5g-d732
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
