Обнаружение крупнейшего когда-либо зарегистрированного всплеска гравитационных волн предоставило беспрецедентный взгляд на горизонты событий, загадочные границы, где ничто не может избежать притяжения черной дыры.
В январе 2025 года гравитационно-волновой сигнал под названием GW250114 был зарегистрирован обсерваториями LIGO, Virgo и KAGRA. Это космическое явление возникло в результате столкновения двух черных дыр, каждая из которых имеет примерно 32 солнечных массы, что вызвало рябь в самом пространстве-времени.
Группа ученых проанализировала захваченный сигнал и определила, что конкретный элемент гравитационных волн соответствует объединенному горизонту событий черных дыр в точный момент слияния.
«Мы смогли измерить окончательное звуковое излучение черных дыр в момент столкновения», — сказал в официальном заявлении Нил Лу, один из координаторов исследования и исследователь OzGrav. Он объяснил, что «в этом сигнале есть дискретная составляющая, известная как прямые волны, которая до конца не изучена. Наша недавняя оценка позволяет нам интерпретировать эту часть и получить беспрецедентные данные вблизи горизонта событий».
Недавние открытия открывают захватывающую перспективу: теперь исследователи могут использовать гравитационные волны в качестве инструмента для исследования загадочных границ черных дыр.
Как горизонты событий становятся точкой невозврата
Понятие горизонта событий возникло из решений уравнений теории гравитации Альберта Эйнштейна, общей теории относительности, сформулированной в 1915 году. Математик Карл Шварцшильд разработал эти решения во время службы в немецкой армии на Восточном фронте во время Первой мировой войны.
Шварцшильд определил сферическую границу вокруг массивного тела, скорость убегания которой превышает скорость света. Размер этого порога, известный как радиус Шварцшильда, прямо пропорционален массе объекта. Например, радиус Шварцшильда Солнца будет составлять примерно 3 километра от его центра, тогда как у Земли он составит всего 9 миллиметров. На планетах и звездах этот луч содержится внутри их недр.
Иными словами, в черной дыре радиус Шварцшильда выходит за пределы тела, действуя как внешний предел, который не может преодолеть даже свет: горизонт событий. Чтобы любая материя могла избежать гравитационного притяжения в этой точке, ей необходимо достичь скорости, превышающей скорость света, что, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, потребует неограниченной энергии. Учитывая, что во Вселенной ничто не движется быстрее света, ничто не может покинуть этот горизонт.
Чтобы понять загадочную природу черной дыры, важно понимать, что ни один тип сигнала не может превзойти скорость света. Таким образом, горизонт событий действует как односторонний барьер для любой информации. Хотя черная дыра может поглощать данные, горизонт событий предотвращает их выход, а это означает, что внутренняя часть черной дыры всегда останется для нас ненаблюдаемой.
Поэтому неудивительно, что ученые очень заинтересованы в исследовании горизонтов событий и явлений, которые там происходят. Цель состоит не только в том, чтобы разгадать физику материи, которая совершает это необратимое путешествие к центру черной дыры, но и понять влияние этих космических гигантов на конфигурацию самого пространства.
Колоссальная гравитационная сила черных дыр заставляет само пространство-время тянуться вокруг них по мере их вращения. Это явление известно как «затягивание кадра» или эффект Лензе-Тирринга. Это накладывает дополнительное условие на горизонты событий: ничто не только не может выйти за эту границу, но и ничто не может оставаться в покое. Это недавнее исследование приводит ученых к более глубокому пониманию этой сложной динамики.
«Мы проанализировали GW250114, самый мощный сигнал двойной черной дыры, когда-либо обнаруженный, примерно в три раза более интенсивный, чем первый, обнаруженный примерно десять лет назад», – подробно рассказал Лин Сун, еще один соруководитель группы и исследователь OzGrav. Она добавила, что «наше исследование показывает, что этот чрезвычайно сильный сигнал может служить мощным инструментом для изучения горизонта образовавшейся черной дыры, позволяя измерить две ее основные характеристики: частоту вращения и гравитацию на ее поверхности».
Более того, полученные результаты потенциально могут прояснить поведение гравитации в самых экстремальных условиях космоса, в частности, вблизи черной дыры.
«Эти измерения представляют собой первый шаг вперед для будущих исследований общей теории относительности с использованием прямых волн», – заключил Лу.