Все знают, что из черной дыры не может выбраться никакая информация. Но новая работа показывает: ученые, возможно, подобрались к самой границе этого запрета ближе, чем когда-либо.
Гравитационная волна, возникшая после мощного столкновения двух массивных черных дыр, могла принести первый в истории зарегистрированный след горизонта событий.
Раньше физики предполагали, что особый тип гравитационной волны, называемый прямой волной, может нести информацию о свойствах горизонта событий. Теперь ученые считают, что им наконец удалось такую волну обнаружить.
Звучит почти как научная фантастика. Но, по словам физика-теоретика Сичжэна Ма из Института Периметра в Канаде, гравитационные волны дают ученым новый путь к изучению того, что нельзя увидеть напрямую.
Горизонт событий — это не сама черная дыра, а граница между видимой Вселенной и областью, из которой уже невозможно вернуться. За этой границей гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться наружу.
Горизонт событий не испускает, не отражает и не рассеивает свет. Всё, что пересекает эту границу, уже не может отправить нам световой сигнал обратно. Поэтому ни сам горизонт событий, ни то, что находится за ним, нельзя наблюдать напрямую.
До сих пор ученым приходилось судить о горизонтах событий только по косвенным признакам — по тому, как черные дыры влияют на пространство вокруг себя.
Здесь и появляются гравитационные волны. Это рябь в ткани пространства-времени, которая возникает, когда сталкиваются и сливаются массивные объекты, например черные дыры. Такие сигналы можно уловить на Земле.
Сигнал от слияния черных дыр сложен. Сначала две черные дыры всё быстрее сближаются, затем сталкиваются, а после этого новая черная дыра как бы «звенит», словно колокол.
Эти послеслияния называют квазинормальными модами. По ним ученые могут определять массу и вращение новой черной дыры. Но такие сигналы в основном связаны с областью вне горизонта событий, а не с самим горизонтом.
Новая теория предложила более прямой способ изучения этой границы — через прямую волну, которая должна быть смешана с другими колебаниями.
Когда две черные дыры завершают слияние, движение системы перестраивается: вместо двух объектов главным становится один новый объект. Его мощная гравитация буквально увлекает пространство-время за своим вращением, а исходящие сигналы быстро слабеют.
В результате должна появляться особая волна, колеблющаяся почти с удвоенной частотой вращения горизонта. Именно ее и называют прямой волной.
Ма объясняет это так: когда всё приближается к горизонту вращающейся черной дыры, оно вовлекается в очень быстрое движение вокруг нее. Но одновременно сигнал, который доходит до нас, стремительно тускнеет из-за сильной гравитации. В итоге наблюдатели видят финальный быстрый вихрь рядом с горизонтом, который быстро исчезает.
Обнаружить такой сигнал чрезвычайно сложно. Гравитационные волны к моменту прибытия на Землю растягивают и сжимают пространство меньше, чем на ширину атомного ядра.
Поэтому ученым понадобилось необычно мощное событие. Им стало GW250114 — самый четкий сигнал гравитационных волн, полученный на сегодняшний день.
Сначала исследователи относились к результату осторожно. Теория выглядела убедительно, но данные гравитационных волн сложны, и всегда остается риск ложного сигнала.
Однако после предварительных проверок, по словам Ма, данные повели себя именно так, как предсказывала теория. Событие оказалось необычно громким и чистым, а развитие сигнала совпало с ожидаемой подписью прямой волны.
Результат всё еще нужно проверить на других гравитационно-волновых сигналах. Теорию тоже будут уточнять, потому что теперь у ученых появился наблюдательный результат, с которым можно ее сравнивать.
Но если открытие подтвердится, оно даст новый способ изучать черные дыры.
Прямую волну можно использовать, чтобы измерять, как быстро вращается горизонт событий и как быстро гравитация заставляет информацию исчезать из наблюдаемого сигнала.
По словам Ма, раньше физики могли красиво описывать горизонты событий в общей теории относительности, но имели очень мало способов проверять их напрямую через наблюдения. Новый компонент в гравитационных волнах может это изменить.
Если результат подтвердят, это станет самым близким подходом ученых к изучению области непосредственно возле горизонта событий черной дыры.
Такое открытие может изменить то, как исследователи изучают одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Черные дыры долго казались объектами, о которых можно судить только по их влиянию на окружение. Но теперь гравитационные волны позволяют «слушать» последние мгновения слияния и искать следы из области рядом с горизонтом.
Исследование опубликовано в Nature.
