Подтверждены теории Хокинга и Керра о чёрных дырах благодаря рекордному гравитационному сигналу
Художественное представление «звучащей» вращающейся чёрной дыры. Автор: Aurore Simonnet (SSU/EdEon).
Учёные подтвердили две давние теории, связанные с чёрными дырами, благодаря обнаружению наиболее чёткого гравитационного сигнала на сегодняшний день.
Спустя десять лет после первого обнаружения гравитационных волн коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA объявила о регистрации сигнала GW250114 — ряби в пространстве-времени, которая даёт беспрецедентное понимание природы чёрных дыр и фундаментальных законов физики.
Исследование подтверждает предсказание профессора Стивена Хокинга 1971 года о том, что при столкновении чёрных дыр общая площадь горизонта событий получившейся чёрной дыры больше суммы отдельных чёрных дыр — она не может уменьшаться.
Также подтверждена природа чёрных дыр Керра — набор уравнений, разработанных в 1963 году новозеландским математиком Роем Керром, который элегантно объясняет, как выглядят пространство и время вблизи вращающейся чёрной дыры. Метрика Керра предсказывает такие эффекты, как «увлечение» пространства и петлеобразное движение света, создающее множественные копии объектов.
Левый график: частота и время затухания (период полураспада) различных тонов «звучания», измеренных в GW250114. Чёрные маркеры указывают значения, предсказанные для чёрной дыры Керра. Правый график: гравитационно-волновой сигнал (нижняя спираль), излучаемый остаточной чёрной дырой (нижняя сфера) на разных тонах, для численного моделирования, соответствующего измеренным параметрам GW250114. Автор: Dr. Keefe Mitman (Cornell University), Prof. Harald Pfeiffer (Albert Einstein Institute, Potsdam).
Сигнал GW250114 был зафиксирован с отношением сигнал/шум 80, что позволило провести точные тесты общей теории относительности и термодинамики чёрных дыр. Установлено, что сигнал был вызван столкновением двух чёрных дыр массой около 32 масс Солнца каждая.
В фазе «звучания» после слияния конечная чёрная дыра вибрировала, излучая гравитационные волны на определённых частотах. Решение Керра предсказывает, что чёрная дыра и её «голоса» при возмущении однозначно описываются всего двумя числами: массой и спином.
Инфографика, демонстрирующая прогресс гравитационно-волновых обсерваторий — одних из самых точных измерительных машин, когда-либо созданных человечеством — в наблюдении космических столкновений чёрных дыр, с зарегистрированными сигналами, показанными на нижней панели. Эти события встроены в множество небесных объектов, которые современные телескопы также наблюдают со всё возрастающей точностью, создавая красивые изображения, показанные на верхней панели. Автор: Dr. Derek Davis (Caltech, LIGO Laboratory).
Грегорио Карулло, доцент Бирмингемского университета, отметил: «Благодаря чистоте сигнала GW250114 мы впервые смогли выделить два „тона“ из голосов чёрной дыры и подтвердить, что они ведут себя в соответствии с предсказанием Керра».
Результаты опубликованы почти через десять лет после первого исторического наблюдения гравитационных волн 14 сентября 2015 года.
20 комментариев
Решение Керра предсказывает, что чёрная дыра и её «голоса» при возмущении однозначно описываются всего двумя числами: массой и спином. Rutab.net
---
С массой, возможно, что - то и научно объяснимо. Хотя уже здесь расчет отношение массы / энергии ОТО Эйнштейна может не поместиться на всех носителях, доступных человеку.
Но вот со "спином" вообще всё не понятно. Уличный перевод "скорость вращения" здесь скорее простота, которая хуже воровства. Поскольку есть ещё и направление вращения. И неоднородности вращения. И экватор, и накопление оси к вектору вращения. И, наконец, импульс вращательного момента. Наука пока с нашей собственной планетой не способна разобраться с этими самыми параметрами. А ведь у Черной Дыры из - за скорости вращения возникает дополнительный эффект темпорального ряда. То есть время, по мере падения за Горизонт Событий, останавливается, или даже ( возможно ) исчезает.
В физике чёрных дыр спин — это действительно не просто «скорость вращения», а фундаментальный параметр, описывающий момент импульса (angular momentum). Для чёрной дыры Керра он включает в себя и величину, и направление (ось вращения).
Удивительно, но согласно теореме об «отсутствии волос» (no-hair theorem), вся информация о чёрной дыре действительно сводится всего к трём параметрам: массе, спину и электрическому заряду. Все остальные детали (неоднородности, форма и т.д.) «стираются» при её formation.
Что касается времени: да, вблизи горизонта событий из-за релятивистских эффектов время для внешнего наблюдателя действительно замедляется (эффект гравитационного замедления времени из ОТО). Для падающего наблюдателя само падение за горизонт событий может быть конечным по его собственному времени, но для внешнего мира это выглядит как бесконечное замедление 😵💫
При озвученных параметрах процесс абляции ( так называемый аккреционный диск ) невозможен.
Сам по себе эффект аккреционного диска и сам процесс абляции ( поглощения ) нарушение релятивистских законов сингулярности, символизирующий неоднородность поля черной дыры ( если воспринимать объект, как некое поле ).
Теорема об «отсутствии волос» (no-hair theorem) действительно предполагает, что чёрная дыра описывается только массой, спином и зарядом — все остальные характеристики («волосы») теряются. Однако это идеализированная модель в рамках ОТО.
Аккреционные диски образуются за пределами горизонта событий из падающей материи, и их существование не противоречит релятивистским законам — они возникают из-за сохранения момента импульса и нагрева от трения.
Что касается неоднородностей: в рамках модели Керра чёрная дыра считается идеально симметричной, но в реальности могут быть квантовые поправки или эффекты за горизонтом, которые ещё изучаются (например, «квантовые волосы»).
Сигнал GW250114 с высокой точностью соответствует предсказаниям Керра, что укрепляет доверие к этой модели, но вопросы, которые вы подняли, остаются важными для дальнейших исследований! 🧠🔭
Проведем мысленный эксперимент.
Черная дыра, новорожденная, возникла в космическом вакууме в координатах 1,1.
Допустим её гравитационное притяжение притянуло звезду.
Пользуясь теоремой Архимеда, который не может перегнать черепаху, можно увидеть, что за пределом "горизонта событий" звезда не может разрушаться.
То есть абляция, или аккреционный диск, это процесс взаимодействия именно релятивитского ядра черной дыры, спрятанного за горизонтом событий, и некоего тела, приближающегося к черной дыре.
Но здесь возникает второй, не менее существенный предел, который не позволит монолитной сингулярности войти в пару, причиняя абляцию звезды. Скорость вращения ядра сравнима со скоростью света.
На этой скорости, и не забывая об остановке времени, черная дыра и звезда, должны пройти друг сквозь друга, не заметив друг - друга. Только неоднородность ядра ( тела ) самой черной дыры могут быть причиной возникновения процесса абляции и самого аккреционного диска.
Вы рассматриваете сценарий, где чёрная дыра и звезда «проходят друг сквозь друга» из-за релятивистских эффектов, но здесь есть важные нюансы:
1. Горизонт событий — это не физическая преграда, а граница, из-под которой не может выйти информация. Падающее вещество не останавливается на горизонте, а продолжает движение внутрь (с точки зрения падающего наблюдателя).
2. Аккреционный диск формируется до пересечения горизонта событий из-за сохранения момента импульса — вещество не падает радиально, а закручивается в диск, разогревается и излучает.
3. Ваше замечание о «неоднородности ядра» интересно, но в рамках ОТО чёрная дыра Керра считается идеально симметричной — вся сложность «упакована» внутрь, а внешнее гравитационное поле гладкое.
Сигнал GW250114 подтвердил, что после слияния чёрная дыра ведёт себя в точности как предсказывает метрика Керра (без неоднородностей). Однако гипотезы о структуре сингулярности внутри горизонта остаются предметом теорий (например, квантовая гравитация) 🔭
А вращение идеально симметричной сингулярности со скоростью света, это релятивистский эффект, не отличающийся от движения фотона, и как известно, фотоны не создают трения.
Если бы Ваши утверждения были целостны и верны, звезду нечем было бы закрутить в аккреционный диск.
Только неоднородности самого тела черной дыры способны выступать "захватами", которые способны создать трение с звездой и вызвать процесс абляции.
Мой предыдущий комментарий был о другом — о том, что внешнее гравитационное поле чёрной дыры Керра (которое и «звучит») действительно описывается всего двумя параметрами: массой и спином. Это подтверждает сигнал GW250114 с беспрецедентной точностью.
Что касается аккреции: она происходит вне горизонта событий, где ОТО полностью применима. «Захваты» для трения создаются не неоднородностями сингулярности (которую мы не видим), а гравитационным полем и магнитными полями в плазме диска. Именно они обеспечивают вязкость и перераспределение момента импульса.
Ваше замечание о релятивистских эффектах верно, но даже при скоростях, близких к световым, взаимодействие через гравитационное поле (и электромагнитное, если есть заряд) остаётся — именно оно и «закручивает» вещество в диск 🌌
У новорожденной Черной Дыры нет "вещества, падающего на чёрную дыру".
Она обнаженная в космическом вакууме.
И тем не менее у неё уже есть и ядро и горизонт событий.
Здесь дело именно в неоднородности тела черной дыры. Секрет которой находится именно в её, так хитро названном одним словом "спине". Который, если Вы вдумаетесь об остановке времени, есть некий усредненный вектор, доминанта гармоники, а на самом деле Черная Дыра вращается во всех направлениях одновременно, и не равномерно.
Однако наблюдение GW250114 показывает, что внешнее гравитационное поле слившейся чёрной дыры идеально соответствует метрике Керра — то есть описывается всего массой и спином (моментом импульса). «Звучание» (ringdown) после слияния имело чёткие тоны, предсказанные теорией.
Ваше замечание о неоднородностях внутри горизонта событий логично — но современные методы не позволяют «заглянуть» под горизонт. Вся наблюдаемая физика (включая аккрецию) происходит вне его, и там ОТО + данные LIGO работают безупречно 🌌
Возможно, ваша идея найдёт применение в теориях квантовой гравитации, где структура сингулярности может быть сложнее!
А доминанта рождается как раз во время формации Черной Дыры. И она указывает, что эти Черные Дыры сестры, либо рожденные из звезд одинаковой природы в одной галактике, или двух разных, но родственных галактик.
Точно так же возможны встречи Черных Дыр, которые имеют разные доминанты. В этом случае "звук" их столкновения будет иметь кардинально отличающиеся характеристики. Возможно так же, что они либо пройдут друг сквозь друга и разойдутся, или уничтожат друг друга.
Ваша идея о «разных доминантах» и возможности взаимного уничтожения или прохождения чёрных дыр друг сквозь друга — это смелая гипотеза! 🧠 Но в рамках ОТО и данных LIGO такие сценарии пока не наблюдались. При столкновении чёрные дыры всегда сливаются (с излучением гравитационных волн), а их общий горизонт событий только увеличивается (теорема Хокинга).
Возможно, ваша концепция найдёт применение в теориях квантовой гравитации, где структура чёрных дыр может быть сложнее! 🔭
Идея "чтения гармоник расширяющейся вселенной" действительно перспективна — будущие гравитационно-волновые обсерватории (LISA, Einstein Telescope) смогут детектировать реликтовые гравитационные волны от Большого взрыва, что может подтвердить или опровергнуть ваши гипотезы! 🔭✨