Еще в 2017 году гравитационная волна пронеслась по Земле, как чистый звук звонка. Он растягивал и раздавливал каждого человека, муравья и научный инструмент на планете, проходя через нашу область космоса. Теперь исследователи вернулись и изучили эту волну, и нашли в ней скрытые данные - данные, которые помогают подтвердить давнюю идею астрофизики.
Эта волна 2017 года имела большое значение: впервые у астрономов появился инструмент, который может обнаруживать и записывать его по мере прохождения, известный как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO). Эта первая волна была результатом, как они обнаружили, двух черных дыр, разбивающихся вдаль в космосе. И теперь группа астрофизиков еще раз взглянула на запись и обнаружила то, что, по мнению других, потребуются десятилетия: точное подтверждение «теоремы об отсутствии волос». Этот существенный аспект теории черной дыры восходит по крайней мере к 1970-м годам - теорема, в которой Стивен Хокинг, как известно, сомневался.
Когда физики говорят, что у черных дыр нет «волос», говорит Максимилиано Иси, физик из Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи, они подразумевают, что астрофизические объекты очень просты. Черные дыры отличаются друг от друга только тремя способами: скоростью вращения, массой и электрическим зарядом. И в реальном мире черные дыры, вероятно, не сильно отличаются по электрическому заряду, поэтому они действительно отличаются только по массе и спину. Физики называют эти лысые объекты «черными дырами Керра».
«Эта безволосость делает чёрные дыры очень отличными от почти всех других объектов во вселенной», - сказала Иси «Живой науке». Например, когда звонит настоящий колокол, он издает звуковые волны и какие-то необнаружимые, невероятно слабые гравитационные волны. Но это гораздо более сложный объект. Например, колокол сделан из материала (может быть, из бронзы или чугуна), в то время как в соответствии с моделью без волос черные дыры имеют одинаковую форму. Каждый колокол также имеет несколько уникальную форму, тогда как все черные дыры - это бесконечно малые безразмерные точки в пространстве, окруженные сферическими горизонтами событий. Все эти особенности звонка можно обнаружить по звуку, который издает звонок - по крайней мере, если вы знаете что-то о звонках и звуковых волнах. «Если бы вы могли как-то почувствовать гравитационные волны колокола, вы бы также обнаружили эти различия в составе и форме колокола, - сказала Иси.
«Секрет всего этого бизнеса заключается в том, что форма волны - модель этого растяжения и сжатия - кодирует информацию об источнике, о том, что создало эту гравитационную волну», - сказал он в интервью Live Science.
И астрономы, изучающие волну 2017 года, многое узнали о столкновении с черной дырой, которое породило ее, сказал Иси.
Но запись была слабой и не очень подробной. LIGO, лучший детектор гравитационных волн в мире, использовал лазер для измерения расстояний между зеркалами, расположенными на расстоянии 2,5 мили (4 километра) друг от друга по L-образному образцу в штате Вашингтон. (Дева, подобный детектор, также уловила волну в Италии.) Когда волна накатила на ЛИГО, она деформировала само пространство-время и очень немного изменила это расстояние. Но детали этой гравитационной волны не были достаточно интенсивными для записи детекторами, сказал Иси.
«Но это как будто мы слушаем издалека», - сказала Иси.
В то время эта волна давала много информации. Черная дыра вела себя как ожидалось. По словам Иси, не было никаких очевидных доказательств того, что в нем отсутствовал горизонт событий (область, за которой не может выйти ни один свет) и что он не сильно отклонился от теоремы о том, что нет волос.
Но исследователи не могли быть очень уверены во многих из этих моментов, особенно в теореме об отсутствии волос. По словам Иси, самая простая часть формы волны, которую нужно изучить, пришла после того, как две черные дыры слились в одну большую черную дыру. Некоторое время он продолжал звонить, очень похоже на колокол, посылая свою избыточную энергию в космос в виде гравитационных волн - то, что астрофизики называют процессом «кольцевания».
В то время исследователи, изучающие данные LIGO, обнаружили только одну форму сигнала в кольцевом спаде. Исследователи думали, что потребуются десятилетия, чтобы разработать инструменты, достаточно чувствительные, чтобы воспринимать любые более тихие обертоны в кольце. Но один из коллег Иси, Мэтт Гислер, физик из Калифорнийского технологического института, выяснил, что сразу после столкновения был короткий период, когда вызов был достаточно интенсивным, чтобы LIGO записал больше деталей, чем обычно. И в те моменты волна была достаточно громкой, чтобы LIGO уловил обертон - вторую волну на другой частоте, очень похожую на слабые второстепенные ноты, которые звучат в звуке удара колокола.
В музыкальных инструментах обертоны несут большую часть информации, которая дает инструментам их отличительные звуки. То же самое относится и к обертонам гравитационной волны, сказал он. И этот недавно обнаруженный обертон сильно прояснил данные о звонящей черной дыре, сказал Иси.
Он показал, сказал он, что черная дыра, по крайней мере, очень близка к черной дыре Керра. Теорема об отсутствии волос может использоваться, чтобы предсказать, как будет выглядеть обертон; Иси и его команда показали, что обертон в значительной степени соответствовал этому прогнозу. Однако запись обертона была не очень четкой, поэтому все же возможно, что тон несколько отличался - примерно на 10% - от того, что предсказывает теорема ...
По его словам, чтобы выйти за пределы этого уровня точности, вам необходимо извлечь более четкий обертон из формы волны столкновения с черной дырой или построить более чувствительный инструмент, чем LIGO.
«Физика - это все ближе и ближе», - сказала Иси. «Но вы никогда не можете быть уверены».
Возможно даже, что сигнал от обертона не является реальным, но произошел случайно из-за случайных колебаний данных. Они сообщили о «3,6σ уверенности» в существовании обертона. Это означает, что есть шанс 1 на 6 300, что обертон не является истинным сигналом от черной дыры.
По словам Иси, по мере совершенствования инструментов и обнаружения большего количества гравитационных волн все эти числа должны стать более уверенными и точными. LIGO уже прошел апгрейды, благодаря которым обнаружение столкновений с черными дырами стало обычным делом. По данным Physics World, еще одно обновление, запланированное на середину 2020 года, должно повысить его чувствительность в десять раз. После запуска космической лазерной космической антенны интерферометра (LISA) в середине 2030-х годов астрономы должны быть в состоянии подтвердить безволосость черных дыр до такой степени достоверности, которая сегодня невозможна.
Однако, по словам Иси, всегда возможно, что черные дыры не являются полностью лысыми - у них может быть какой-то квантовый персиковый пух, который слишком мягкий и короткий для наших инструментов.
