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.