|
Черная дыра подтверждает предсказания Эйнштейна и Хокинга
|
|
|
|
Десять лет назад ученые впервые обнаружили рябь в ткани пространства-времени, называемую гравитационными волнами, возникшую в результате столкновения двух черных дыр. Теперь, благодаря усовершенствованным технологиям и небольшой удаче, недавно обнаруженное слияние черных дыр дает самые четкие доказательства того, как работают черные дыры, и, в процессе, долгожданное подтверждение фундаментальных предсказаний Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга.
|
|
|
|
Новые измерения были проведены лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), а анализом руководили астрофизики Максимилиано Изи и Уилл Фарр из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Полученные результаты позволяют глубже понять свойства черных дыр и фундаментальную природу пространства-времени, намекая на то, как сочетаются квантовая физика и общая теория относительности Эйнштейна.
|
|
|
|
"Это самый ясный на сегодняшний день взгляд на природу черных дыр", - говорит Изи, которая также является доцентом Колумбийского университета. "Мы нашли одни из самых убедительных доказательств того, что астрофизические черные дыры - это черные дыры, предсказанные общей теорией относительности Альберта Эйнштейна". Результаты были представлены в статье, опубликованной 10 сентября в журнале Physical Review Letters совместной работой LIGO-Virgo-KAGRA.
|
|
|
|
Для массивных звезд черные дыры являются завершающим этапом их эволюции. Черные дыры настолько плотны, что даже свет не может преодолеть их притяжение. Когда две черные дыры сталкиваются, это событие искажает само пространство, создавая рябь в пространстве-времени, которая расходится веером по всей Вселенной, подобно звуковым волнам, исходящим от удара в колокол.
|
|
|
|
|
|
|
Эти искажающие пространство колебания, называемые гравитационными волнами, могут многое рассказать ученым об объектах, которые их породили. Точно так же, как большой железный колокол издает звуки, отличные от звуков алюминиевого колокола меньшего размера, "звук", который издает слияние черных дыр, зависит от свойств самих черных дыр.
|
|
|
|
Ученые могут регистрировать гравитационные волны с помощью специальных приборов в таких обсерваториях, как LIGO в Соединенных Штатах, Virgo в Италии и KAGRA в Японии. Эти приборы тщательно измеряют, сколько времени требуется лазеру, чтобы пройти заданный путь.
|
|
|
|
Поскольку гравитационные волны растягивают и сжимают пространство-время, длина прибора и, следовательно, время прохождения света незначительно меняются. Измеряя эти крошечные изменения с большой точностью, ученые могут использовать их для определения характеристик черных дыр.
|
|
|
|
Было обнаружено, что недавно обнаруженные гравитационные волны были созданы в результате слияния, в результате которого образовалась черная дыра массой 63 Солнца, вращающаяся со скоростью 100 оборотов в секунду. Результаты были получены через 10 лет после того, как LIGO впервые обнаружила слияние черных дыр. С момента этого знаменательного открытия усовершенствования в оборудовании и методах позволили ученым получить гораздо более четкое представление об этих потрясающих космос явлениях.
|
|
|
|
"Новая пара черных дыр практически идентична первой, обнаруженной в 2015 году", - говорит Isi. "Но приборы стали намного лучше, поэтому мы можем анализировать сигнал способами, которые были невозможны 10 лет назад".
|
|
|
|
Благодаря этим новым сигналам Изи и его коллеги получили полное представление о столкновении с того момента, как черные дыры впервые столкнулись друг с другом, и до финальных отзвуков, когда объединенная черная дыра перешла в свое новое состояние, что произошло всего через миллисекунды после первого контакта.
|
|
|
|
Ранее было трудно уловить последние отзвуки, так как к этому моменту звук, издаваемый черной дырой, был очень слабым. В результате ученые не могли отделить звук столкновения от звука, издаваемого самой черной дырой.
|
|
|
|
В 2021 году Isi провел исследование, демонстрирующее передовой метод, который он, Фарр и другие разработали для выделения определенных частот - или "тонов" — с использованием данных о слиянии черных дыр в 2015 году. Этот метод оказался эффективным, но измерения, проведенные в 2015 году, были недостаточно точными, чтобы подтвердить ключевые предсказания о черных дырах.
|
|
|
|
Однако, благодаря новым, более точным измерениям, Изи и его коллеги были более уверены, что им удалось успешно выделить сигнал длиной в миллисекунды, исходящий от окончательно сформировавшейся черной дыры. Это позволило более точно определить природу черных дыр.
|
|
|
|
"Десять миллисекунд кажутся действительно короткими, но наши приборы теперь стали намного лучше, и этого времени нам вполне достаточно, чтобы по-настоящему проанализировать излучение последней черной дыры", - говорит Isi. "Благодаря этому новому обнаружению мы получили чрезвычайно детальное представление о сигнале как до, так и после слияния черных дыр".
|
|
|
|
Новые наблюдения позволили ученым проверить ключевую гипотезу, появившуюся несколько десятилетий назад, о том, что черные дыры являются фундаментально простыми объектами. В 1963 году физик Рой Керр использовал общую теорию относительности Эйнштейна для математического описания черных дыр с помощью одного уравнения.
|
|
|
|
Уравнение показало, что астрофизические черные дыры могут быть описаны всего двумя характеристиками: вращением и массой. Благодаря новым, более качественным данным, ученые смогли измерить частоту и продолжительность колебаний объединенной черной дыры более точно, чем когда-либо прежде. Это позволило им увидеть, что на самом деле объединенная черная дыра - это простой объект, описываемый только его массой и вращением.
|
|
|
|
Наблюдения также были использованы для проверки основополагающей идеи, предложенной Стивеном Хокингом, которая называется "Теорема Хокинга о площади". Она гласит, что размер горизонта событий черной дыры — линии, за которую ничто, даже свет, не может вернуться, — может только увеличиваться. Проверка применимости этой теоремы требует специальных измерений черных дыр до и после их слияния.
|
|
|
|
После первого обнаружения слияния черных дыр в 2015 году Хокинг задался вопросом, можно ли использовать сигнатуру слияния для подтверждения его теоремы. В то время никто не думал, что это возможно.
|
|
|
|
К 2019 году, через год после смерти Хокинга, методы были усовершенствованы настолько, что было получено первое предварительное подтверждение с использованием методов, разработанных Isi, Фарром и коллегами. Благодаря в четыре раза лучшему разрешению новые данные дают ученым гораздо больше уверенности в правильности теоремы Хокинга.
|
|
|
|
Подтверждая теорему Хокинга, результаты также указывают на связь со вторым законом термодинамики. Этот закон гласит, что свойство, измеряющее беспорядок в системе, известное как энтропия, должно увеличиваться или, по крайней мере, оставаться постоянным с течением времени. Понимание термодинамики черных дыр может привести к достижениям в других областях физики, включая квантовую гравитацию, которая направлена на объединение общей теории относительности с квантовой физикой.
|
|
|
|
"Это действительно важно, что размер горизонта событий черной дыры ведет себя как энтропия", - говорит Isi. "Это имеет очень глубокие теоретические последствия и означает, что некоторые аспекты черных дыр могут быть использованы для математического исследования истинной природы пространства и времени".
|
|
|
|
Многие подозревают, что будущие обнаружения слияния черных дыр позволят узнать больше о природе этих объектов. Ожидается, что в следующем десятилетии детекторы станут в 10 раз более чувствительными, чем сегодня, что позволит проводить более тщательные тесты характеристик черных дыр.
|
|
|
|
"Прослушивание звуков, испускаемых этими черными дырами, - наша лучшая надежда узнать о свойствах экстремальных пространственно-временных пространств, которые они создают", - говорит Фарр, который также является профессором Университета Стоуни Брук. "И по мере того, как мы создаем все больше и лучше детекторов гравитационных волн, точность будет продолжать повышаться".
|
|
|
|
"Долгое время эта область была чисто математической и теоретической спекуляцией", - говорит Isi. — Но теперь мы действительно можем наблюдать эти удивительные процессы в действии, что свидетельствует о том, какой значительный прогресс был достигнут — и будет продолжаться - в этой области".
|
|
|
|
Источник
|
