Астрономите са засекли сблъсък между две черни дупки с безпрецедентни детайли, предлагайки най-ясната досега представа за природата на тези космически странности и потвърждавайки дългогодишни прогнози, направени от легендарните физици Алберт Айнщайн и Стивън Хокинг.
Събитието, наречено GW250114, стана известно през януари, когато изследователи го забелязаха с помощта на Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) – набор от два еднакви инструмента, разположени в Ливингстън, Луизиана, и Ханфорд, Вашингтон. Инструментите засекоха гравитационни вълни, слаби пулсации в пространство-времето, породени от сблъсъка на двете черни дупки.
Търсенето на гравитационни вълни – вълнички в пространство-времето, предсказани за първи път през 1915 г. като част от теорията на относителността на Айнщайн – остава единственият начин за откриване на сблъсъци на черни дупки от Земята. Въпреки че самият Айнщайн е вярвал, че вълните ще бъдат твърде слаби, за да бъдат измерени, през септември 2015 г. Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория ( LIGO ) ги регистрира за първи път. Историческият пробив по-късно донесе на трима учени Нобелова награда за физика за техния пионерски принос към това, което оттогава е известно като „телескоп за черни дупки“.
В това новоанализирано събитие, сблъскващите се черни дупки са били приблизително 30 до 35 пъти по-големи от масата на слънцето и са се въртели много бавно, според Максимилиано Иси , доцент по астрономия в Колумбийския университет и астрофизик в Центъра за компютърна астрофизика към Института Флатирън в Ню Йорк. Иси е ръководил последното проучване на сигнала GW250114 като част от сътрудничеството LIGO-Virgo-KAGRA. Констатациите са публикувани в сряда в списанието Physical Review Letters .
„Черните дупки бяха на около 1 милиард светлинни години разстояние и обикаляха една около друга в почти перфектен кръг“, каза Иси. „Получената черна дупка беше около 63 пъти по-голяма от масата на слънцето и се въртеше със 100 оборота в секунда.“
Според Иси, тези характеристики правят сливането почти точно копие на онова първо, революционно забелязване отпреди 10 години. „Но сега, тъй като инструментите са се подобрили толкова много оттогава, можем да видим тези две черни дупки с много по-голяма яснота, докато те се приближаваха една към друга и се сливаха в една“, добави той.
Иси каза, че наблюдението дава на учените съвсем нов поглед върху „динамиката на пространството и времето“.
Айнщайн и двуцветен пръстен
LIGO — заедно със своите сестрински обсерватории, Virgo в Италия и KAGRA в Япония — се управлява от глобална мрежа от около 1600 изследователи . Детекторите работят, като измерват невъобразимо малки участъци в пространството, причинени от преминаващи гравитационни вълни, отмествания, толкова малки, че представляват „промяна в разстоянието, която е 1000 пъти по-малка от радиуса на ядрото на атома “, обясни Иси.
От откриването на черни дупки през 2015 г., колаборацията е регистрирала над 300 сливания на черни дупки . По-рано тази година учените обявиха най-мащабния сблъсък досега: сливане между две черни дупки с маса приблизително 100 и 140 пъти по-голяма от масата на слънцето .
Откакто дебютира, някои от ключовите компоненти на LIGO – включително лазерите и огледалата – са подобрени, за да се увеличи точността и да се намали фоновият шум. Тази подобрена производителност направи новото наблюдение над три пъти по-прецизно от първото преди десетилетие.
Тази безпрецедентна яснота позволи на астрономите да използват GW250114, за да потвърдят прогнозите за черни дупки, направени преди десетилетия от видни физици.
Първото предсказание, разработено от новозеландския математик Рой Кер през 1963 г., се основава на теорията на общата относителност на Айнщайн и гласи, че черните дупки би трябвало да са парадоксално прости обекти, описани от едно-единствено уравнение.
„Да, черните дупки са много мистериозни, сложни и имат важни последици за еволюцията на Вселената“, каза Иси, „но математически смятаме, че те трябва да бъдат напълно описани само с две числа. Всичко, което трябва да се знае за тях, трябва да произтича от това колко голяма е черната дупка – или каква е нейната маса – и колко бързо се върти.“
За да тестват тази теория, изследователите са използвали уникална характеристика на сблъсъците на черни дупки: „звън“ или вибрация – като ударена камбана – която произвежда крайната черна дупка. „Ако имате камбана и я ударите с чук, тя ще звънне“, отбеляза Иси. „Височината и продължителността на звука, характеристиките на звука, ви казват нещо за това от какво е направена камбаната. С черните дупки се случва нещо подобно – те звънят в гравитационни вълни.“
Това звънене включва информация за структурата на черната дупка и пространството около нея, добави Иси. Въпреки че феноменът е бил слабо наблюдаван преди, GW250114 е върнал сигнал с „два режима… основен режим и обертон“ с много по-голяма яснота.
„Идентифицирахме два компонента на това звънене и това ни позволи да проверим дали тази черна дупка наистина е съвместима с това да бъде описана само с две числа, маса и въртене“, каза той. „И това е фундаментално за нашето разбиране за това как работят пространството и времето – че тези черни дупки трябва да са безлични по някакъв начин. Това е първият път, когато можем да видим това толкова убедително.“
Теоремата на Хокинг за площта на повърхността
Второто предсказание, потвърдено от GW250114, е направено през 1971 г. от британския физик Стивън Хокинг, което гласи, че когато две черни дупки се слеят, получената повърхност трябва да е равна или по-голяма от тази на оригиналните черни дупки.
„Това е дълбока, но много проста теорема, която казва, че общата повърхност на черна дупка никога не може да намалее – тя може само да се увеличи или да остане същата“, каза Иси.
Въпреки че предишни наблюдения на LIGO предлагаха предварителни потвърждения на теоремата, яснотата на този нов сигнал дава на изследователите несравнима увереност, каза Иси.
„Тъй като сме в състояние да идентифицираме частта от сигнала, която идва от черните дупки, още в началото, когато те са отделени една от друга, можем да заключим техните площи от това“, обясни той. „След това можем да разгледаме самата последна част от сигнала, която идва от последната черна дупка, и да измерим нейната собствена площ.“
Точно както уравнението на Кер, теоремата на Хокинг също използва работата на Айнщайн като своя основа: „Теориите на Айнщайн са като операционната система за всичко това“, обясни Иси.
Кип Торн, един от тримата носители на Нобелова награда за принос към LIGO, каза, че Хокинг му се е обадил веднага щом е научил за откриването на гравитационни вълни през 2015 г., за да попита дали LIGO ще може да тества неговата теорема. „Ако Хокинг беше жив, щеше да се радва да види как площта на слелите се черни дупки се увеличава“, каза Торн за уважавания физик, който почина през 2018 г., в изявление относно новите открития.
Забележително е как тази основополагаща теоретична работа се потвърждава десетилетия по-късно с усъвършенствани инструменти, каза Иси. И потвърждаването на уравнението на Хокинг, добави той, би могло да има последици за една много желана цел във физиката – комбиниране на привидно несъвместимата теория на общата теория на относителността, която описва гравитацията, с квантовата механика, която се отнася до субатомния свят.
„LIGO създаде изцяло нов клон в астрономията. Той революционизира нашето мислене за компактните обекти, по-специално за черните дупки“, каза той. „Преди LIGO да се включи, хората дори не бяха сигурни, че черните дупки могат да се сливат, да се сблъскват и да се образуват по този начин.“
Дългоочакван важен етап
Гравитационните вълни са много слаби и титаничната задача за откриването им често се описва като търсене на игла в купа сено, според Емануеле Берти, професор по физика и астрономия в университета „Джонс Хопкинс“, който не е участвал в изследването. Той описва детекторите LIGO като „слухови апарати“, които помагат в този процес.
„Голяма група учени прекараха последните десет години в подобряване на тези слухови апарати и сега можем да „чуем“ сигналите с много по-голяма яснота“, каза той в имейл. „Вече можем да тестваме фундаментални принципи на гравитацията, които не можехме да тестваме преди десет години.“
Сред тези принципи, добави той, е идеята, че черните дупки са най-простите макроскопични обекти във Вселената. Нивото на детайлност в „звъненето“, създадено от сблъсъка на GW250114, означава, че учените могат да кажат с увереност, че крайният обект е съвместим с черните дупки, предсказани от общата теория на относителността на Айнщайн, което Берти казва, че е „ужасно вълнуващо“.
Леор Барак, професор по математическа физика в Университета на Саутхемптън в Англия, който също не е участвал в проучването, отбеляза, че сред над 300-те събития на сливане на черни дупки, регистрирани от LIGO, последното се откроява като „особено зрелищно“ и нарича новото проучване дългоочакван анализ. Учените успяха да извлекат два от „чистите тонове“ на остатъчната черна дупка, докато тя се установяваше в окончателната си форма, добави Барак.
„Това включваше за първи път ясно извличане на първия „обертон“ – по-слаб хармоничен звук на звънящата дупка, в допълнение към основния тон“, каза той. „Този вид тест е най-прецизният до момента, с голяма разлика.“
Изследването представлява важен етап в астрономията на гравитационните вълни, каза Макарена Лагос, доцент в Института по астрофизика към Университета Андрес Бело в Чили. Лагос също не е участвала в работата.
Тя се съгласи, че откриването на втори тон в „звънящата“ черна дупка е особено важно, добавяйки, че GW250114 демонстрира успеха на текущите подобрения на LIGO и показва, че откриването на гравитационни вълни може да тества фундаменталната физика по начини, които никога досега не са били възможни.
„Въпреки че настоящите тестове за гравитация все още имат големи несигурности, тази работа полага основите за бъдещи открития“ с още по-добро качество, очаквани през следващите години, каза Лагос в имейл. „Тези бъдещи наблюдения обещават да предоставят по-точни тестове за нашето разбиране за пространство-времето и гравитацията.“
