Данные, полученные с помощью детекторов гравитационных волн, позволили подтвердить идею, высказанную Стивеном Хокингом более чем полвека тому назад. Об этом сообщили в пресс-службе Московского государственного университета.
Что это за детекторы

Речь идет о трех обсерваториях LIGO, Virgo и KAGRA, расположенных в США, Италии и Японии соответственно. Они образуют научную коллаборацию LVK, которая призвана обнаруживать гравитационные волны — рябь пространства-времени, возникающую при столкновении массивных объектов во Вселенной, таких как черные дыры и нейтронные звезды. Гравитационные волны были впервые предсказаны Альбертом Эйнштейном больше ста лет назад.

В проекте научного сотрудничества LIGO участвуют около 1 600 ученых со всего мира. МГУ присоединился к сообществу в 1992 году. Вплоть до ухода из жизни группу МГУ возглавлял профессор физического факультета, член-корреспондент РАН Владимир Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире.

Десять лет тому назад, 14 сентября 2015 года, два детектора Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (NSF LIGO) впервые в истории напрямую зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух черных дыр массами в 30 раз больше Солнца. Сигнал об этом событии шел до Земли 1,3 млрд лет.
Что произошло теперь

В 1971 году Стивен Хокинг выдвинул теорию о том, что общая площадь горизонта событий черных дыр не может уменьшаться. Анализируя частоты гравитационных волн, которые испускают при слиянии черных дыр, команда LVK смогла представить наилучшие на сегодняшний день наблюдательные доказательства этой идеи.

Стивен Хокинг высказал идею о постоянстве площади черных дыр еще в 1971 годуИсточник: Wikimedia

Согласно теореме, площадь черной дыры после слияния должна вырасти. Позднее Хокинг и его коллеги пришли к выводу, что площадь черной дыры пропорциональна ее энтропии (степени беспорядка).

При слиянии черных дыр действуют несколько факторов:

их массы суммируются, увеличивая площадь поверхности;
дыры теряют энергию в виде гравитационных волн;
скорость новой дыры после слияния может увеличиться, что приведет к уменьшению ее площади.

Данные LIGO, полученные 14 января 2025 года, позволили команде «услышать», как две черные дыры растут, сливаясь в одну. Начальная площадь поверхности черных дыр составляла 240 тыс. кв. км, а конечная — около 400 тыс. кв. км.

Ученые смогли получить параметры двух черных дыр после слияния и тем самым подтвердили идею ХокингаИсточник: Unsplash

Как отмечают в МГУ, рассчитать конечную площадь дыры оказалось не так просто. После слияния сигнал становится менее четким. Во время так называемой фазы спада черная дыра вибрирует подобно звучанию колокола. Поэтому ученым пришлось учитывать частоты «звона», чтобы высчитать массу и спин объекта, а затем и площадь.

Это вторая проверка теоремы о площади черных дыр. Первая была предпринята в 2021 году с использованием данных самого первого сигнала LIGO, полученного 10 лет назад. Однако те данные были не такими точными: уровень достоверности составил 95% по сравнению с 99,999% для новых данных.

Десять лет тому назад были открыты гравитационные волны, предсказанные общей теорией относительности. Теперь экспериментально проверена другая великая научная идея, связанная со свойствами черных дыр. Научные идеи подтверждаются и развиваются благодаря поражающим воображение экспериментальным установкам, созданным учеными и инженерами, изобретающими уникальным технологии, основанные на новых научных открытиях. Сколько неожиданного и интересного ждет нас впереди.
Владимир Митрофанов
профессор физического факультета МГУ

Что дальше

Обсерватория LIGO регулярно наблюдает примерно одно слияние черных дыр каждые три дня. А всего коллаборация LVK зафиксировала в общей сложности около 300 слияний черных дыр, некоторые из которых подтверждены, а другие ожидают дальнейшего анализа. Детекторы совершенствуют с применением квантовых технологий, что позволяет увеличить количество регистрируемых событий.

Детекторы LVK остаются, безусловно, самыми точными измерительными приборами, когда-либо созданными человеком. Искажения пространства-времени, вызванные гравитационными волнами, невероятно малы. Например, LIGO регистрирует изменения пространства-времени, составляющие менее 1/10 000 размера протона.

Пункт управления детектором LIGOИсточник: Amber Stuver/Wikimedia

В ближайшие годы ученые надеются продолжить тонкую настройку приборов, расширяя их возможности заглядывать все дальше вглубь Вселенной. Планируется запуск еще одного, третьего в проекте LIGO детектора в Индии.

Если заглянуть в будущее, разрабатывается концепция еще более крупного детектора под названием Cosmic Explorer, длина плеч которого составит 40 км (у двух обсерваторий LIGO — 4 км). Европейский проект под названием Einstein Telescope также планирует построить один или два огромных подземных интерферометра с длиной плеч больше 10 км. Обсерватории такого масштаба позволят ученым регистрировать самые ранние слияния черных дыр во Вселенной.

Ранее Наука Mail рассказывала, что ИИ снизил уровень шума в зеркалах LIGO в 30−100 раз.

Наблюдения показали, что черные дыры могут расти вне центров галактик. Это объяснило новые способы эволюции галактик и формирования промежуточных черных дыр.
Екатерина Морозова
Автор Наука Mail

Международная группа астрономов обнаружила черную дыру в необычном местеИсточник: Китайская академия наук

Наши знания о черных дырах все еще неполные. Мы уверены в существовании черных дыр звездных масс, образующихся при коллапсе массивных звезд, и в сверхмассивных черных дырах в центрах галактик. Но гипотетические первичные и промежуточные черные дыры показывают, что это еще не все.

Главная трудность заключается в наблюдении. Черные дыры видны только тогда, когда активно поглощают вещество и испускают свет. Такие активные ядра галактик встречаются редко, но недавно астрономы из Шанхайской обсерватории нашли одно в карликовой галактике всего в 230 млн световых лет от Земли. Причем черная дыра расположена не в центре, а смещена на 3200 световых лет.

Обычно черная дыра встречается в центрах галактик, но исследователи обнаружили черную дыру на расстоянии более 3200 световых лет от центра карликовой галактикиИсточник: NASA

Исследование, опубликованное в Science Bulletin, показало, что эта смещенная черная дыра активно аккрецирует газ и формирует джеты — обычно признак центральных ядер. Это открытие подтверждает альтернативный путь роста черных дыр вне галактического центра, где газовые резервы традиционно считаются основными.

Карликовые галактики проще и легче своих массивных собратьев, поэтому процессы формирования черных дыр здесь проще проследить. Их слабая гравитация делает их уязвимыми — события вроде слияний могут выбросить черные дыры из центров. Анализ данных MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory) показал, что среди 628 карликовых галактик с кандидатами на активные ядра 62% черных дыр смещены от центра.
схема
Слева показано, как распределена ионизация в галактике, черная звезда отмечает положение черной дыры. Справа — снимок SDSS в g-диапазоне для идентификации активного ядра галактики с радиоконтуром из обзора FIRST, показывающим смещение активного ядра галактикиИсточник: Science Bulletin

В галактике MaNGA 12772−12704 смещенная черная дыра весит около 300 тысяч солнечных масс — это промежуточная масса. Признаков слияния нет, значит, дыра свободно перемещается. Она растет без слияний и без доступа к центральным газовым резервуарам.

Даже смещенные черные дыры могут влиять на звездообразование и движение газа в галактиках. Джет, формируемый этой дырой, показывает, что системы аккреционных дисков и струй могут существовать и за пределами центра.

Открытие блуждающих черных дыр переводит их из теоретических в наблюдательно подтвержденные.

Ранее Наука Mail рассказывала о том, что физики спустя 50 лет подтвердили теорему Хокинга.