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.
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.
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.
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.
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.
