Науковці використали детектор гравітаційних хвиль, щоб «почути», як дві чорні діри збільшуються, зливаючись в єдину гігантську структуру. Це злиття було зафіксоване 14 січня обсерваторією гравітаційних хвиль LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) і надало найкращі на сьогодні докази теорії, висунутої понад пів століття тому всесвітньо відомим фізиком Стівеном Гокінгом, але не доведеної за його життя.
Дослідження, засноване на цих спостереженнях, було опубліковане в середу, 10 вересня, у журналі Physical Review Letters і очолене Адріаном Г. Абаком, докторантом Інституту гравітаційної фізики імені Макса Планка в Потсдамі (Німеччина).
LIGO фіксує гравітаційні хвилі — коливання у тканині простору-часу, що виникають під час найекстремальніших подій у космосі, таких як зіткнення чорних дір або нейтронних зір (залишків надгігантських зір). Перше пряме виявлення гравітаційних хвиль майже рівно 10 років тому, 14 вересня 2015 року, підтвердило передбачення загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, спостерігши злиття двох чорних дір.
За десятиліття роботи LIGO суттєво вдосконалив свої детектори — тепер злиття чорних дір виявляють приблизно раз на три дні, тоді як раніше це траплялося приблизно раз на місяць, повідомили в Каліфорнійському технологічному інституті (Caltech), який спільно з Массачусетським технологічним інститутом (MIT) керує LIGO.
Під час події, зафіксованої 14 січня, LIGO спостеріг дві чорні діри, які злилися, утворивши нову, значно більшу чорну діру. До злиття сумарна площа поверхонь обох чорних дір становила приблизно 243 000 квадратних кілометрів (приблизно розмір штату Орегон), а після злиття новоутворена чорна діра мала площу близько 400 000 квадратних кілометрів (приблизно розмір штату Каліфорнія). Інакше кажучи, нова чорна діра стала більшою, ніж сума двох початкових.
Це відкриття підтверджує передбачення, зроблене Гокінгом ще у 1971 році: «горизонт подій» — зовнішня межа чорної діри, за якою ніщо не може втекти, — ніколи не може зменшуватися. Як зазначають дослідники з Колумбійського університету (учасника колаборації LIGO), це стало першим настільки точним підтвердженням цієї гіпотези.
«Хоча це дуже просте твердження — “площа може тільки збільшуватися”, воно має колосальні наслідки», — пояснив співавтор дослідження Максиміліано Ісі, доцент Колумбійського університету та науковий співробітник Інституту Флетайрона. Теорема Гокінга відома як другий закон механіки чорних дір і схожа на другий закон термодинаміки, який стверджує, що ентропія (міра безладу) може лише зростати з часом.
Ця теорія змусила науковців почати розглядати чорні діри як «термодинамічні об’єкти», зазначили в Американському фізичному товаристві (APS), — справжня зміна парадигми, закріплена відкриттям Гокінга про те, що чорні діри мають ентропію і випромінюють радіацію через квантові ефекти поблизу горизонту подій.
«Це означає, що загальна теорія відносності містить підказки про квантову природу цих об’єктів і що інформація або ентропія, яка міститься в чорній дірі, пропорційна її площі», — додав Ісі.
Це не перший випадок, коли LIGO перевіряє теорію Гокінга: у 2021 році спостереження попередньо підтвердили його прогноз. Нові результати, втім, «підтверджують попередні з набагато вищою точністю», додали в Колумбійському університеті.
Цю точність досягли завдяки аналізу тону та тривалості гравітаційних хвиль, випромінених під час злиття чорних дір. Вчені можуть робити висновки про розміри та форму чорних дір за їх хвилями, так само як за звуком музичного інструмента можна судити про його розміри та форму.
Нове спостереження, відоме як GW250114, спричинило своєрідне «дзеленчання» простору-часу, коли нова чорна діра поступово стабілізувалася після злиття.
«Це дзеленчання — так званий ringdown — виникає, коли чорну діру збурюють, так само як дзвін дзвенить, коли його вдарити», — пояснила співавторка дослідження Катерина Хаціоанну, доцентка фізики в Caltech.
Саме завдяки фазі ringdown дослідники змогли підтвердити, що нова чорна діра має більшу площу поверхні, ніж дві початкові разом.
Результати також підтверджують іншу теорію, сформульовану математиком Роєм Керром близько 60 років тому. Так звана метрика Керра описує, як рівняння Ейнштейна загальної теорії відносності працюють у випадку обертових чорних дір. «Дві чорні діри з однаковою масою і швидкістю обертання є математично ідентичними», — зазначив Ісі. — «Це унікальна властивість чорних дір».