Все знают, что никакая информация не может покинуть черную дыру.
Но гравитационная волна, распространяющаяся наружу от массивного столкновения между двумя крупными черными дырами, возможно, подвела нас к самому краю – неся самую первую подпись горизонта событий, когда-либо полученную.
Ученые теоретически предполагали, что гравитационная волна, известная как прямая волна, может нести информацию о свойствах горизонта событий.
Теперь они наконец идентифицировали такую волну.
Если вам это кажется чем-то из научной фантастики, вы не одиноки.
«Горизонт событий – это не то, что мы можем видеть непосредственно с помощью света, потому что по определению ничто не может покинуть его изнутри. Но гравитационные волны дают нам другой путь», – рассказал ScienceAlert физик-теоретик Сичжэн Ма из Института периметра в Канаде.
«Когда две черные дыры вращаются друг вокруг друга и сливаются, этот violent процесс возмущает само пространство-время в области, очень близкой к горизонту конечной черной дыры. Некоторые из этих колебаний пространства-времени могут распространяться наружу в виде гравитационных волн и в конечном итоге достигать наших детекторов.
«Мы часто находим захватывающим то, что когда-то казалось почти научной фантастикой, а именно использование наблюдений для изучения горизонтов черных дыр, стало тем, что мы действительно можем делать».
Горизонт событий – это не сама черная дыра, а граница, отделяющая видимую Вселенную от области за пределами досягаемости черной дыры.
Эта граница является «точкой невозврата» для черной дыры, за которой гравитация объекта настолько сильна, что даже свет в вакууме не может развить скорость убегания. Горизонт событий не излучает, не отражает и не рассеивает свет. Все, что пересекает его, больше не может послать нам свет.
В результате ни горизонт событий, ни что-либо за ним нельзя наблюдать напрямую. Все, что мы знаем о горизонтах событий, получено из косвенных наблюдений их воздействия на окружающее пространство.
Это подводит нас к гравитационным волнам: гравитационным рябям в пространстве-времени, возникающим, когда массивные объекты, такие как черные дыры, сталкиваются и сливаются, которые мы можем обнаружить здесь, на Земле.
Этот сигнал сложен. Есть финальная спираль, когда две черные дыры входят в последние стадии сближения перед столкновением; затем, после столкновения, новообразованная черная дыра «звенит», как колокол.
Волны этого «звона» называются квазинормальными модами, определяемыми массой и спином черной дыры – и именно так ученые могут извлечь эти свойства из события гравитационной волны.
Однако квазинормальные моды в первую очередь связаны со световым кольцом вне горизонта событий, а не с самим горизонтом.
Недавние теоретические работы предложили более прямой зонд горизонта событий: прямую волну, которая, как предполагается, переплетена с квазинормальными модами.
Согласно этой теории, когда две черные дыры завершают слияние, орбитальное движение переходит от управления двумя черными дырами к доминированию со стороны вновь образованного одиночного объекта.
Экстремальная гравитация черной дыры буквально увлекает пространство-время за собой при вращении; гравитация красным смещением и подавляет исходящие сигналы; и излучается единственная волна, oscillating с частотой, почти вдвое превышающей частоту вращения горизонта – это и есть прямая волна.
«Когда все приближается к горизонту вращающейся черной дыры, оно втягивается в чрезвычайно быстрое движение вокруг него. Но в то же время сигнал, который они посылают нам, очень быстро затухает из-за сильной гравитации черной дыры», – объяснил Ма.
«Итак, мы видим финальный, быстрый, быстро тускнеющий вихрь вблизи горизонта».
Трудно переоценить, насколько тонкими являются сигналы гравитационных волн. К тому времени, когда они достигают Земли, они растягивают и сжимают пространство-время на величину, меньшую ширины атомного ядра.
Поэтому потребовалось необычно массивное событие гравитационной волны, чтобы Ма и его коллеги нашли сигнал, который искали. Этим событием было GW250114 – самый четкий сигнал гравитационной волны, полученный на сегодняшний день.
Сначала, извлекая сигнал из данных, исследователи были осторожны. Хотя теория была обоснованной, сложность данных гравитационных волн означала, что всегда существовал риск ложноположительного результата.
«Наша первоначальная реакция была неоднозначной», – сказал Ма.
«Но после предварительных проверок данные вели себя замечательно хорошо – фактически, точно так, как предсказывала теория. Событие было необычайно громким и чистым, и то, как развивался сигнал, совпало с ожидаемой подписью прямой волны, рассчитанной по нашей теоретической модели.
«Это был момент, когда настроение перешло от «Это может быть интересно» к «Ого, это, возможно, реально».
Результат все еще нуждается в дальнейшей проверке на других сигналах гравитационных волн. Теоретическая работа также будет подвергнута корректировке и доработке, теперь, когда у ученых есть наблюдательный результат для сравнения.
Но если подтвердится, прорыв команды предлагает совершенно новый способ изучения черных дыр.
Например, этот сигнал прямой волны можно проанализировать, чтобы измерить, как быстро вращается горизонт событий и как быстро гравитация заставляет информацию исчезать.
«В течение долгого времени мы могли красиво описывать горизонты событий черных дыр в общей теории относительности, но имели очень ограниченные способы их наблюдения», – объясняет Ма.
«Этот новый компонент в гравитационных волнах меняет это. Этот результат открывает путь к более прямому изучению пригоризонтной области, и в будущем, с большим количеством событий и более чувствительными детекторами, он может помочь нам провести более точные проверки общей теории относительности и углубить понимание физики черных дыр».
И, если подтвердится, этот результат ознаменует самое близкое, к чему ученые приблизились к исследованию непосредственной близости горизонта событий черной дыры.
Связано: Физики смоделировали черную дыру в лаборатории, и она начала светиться
Более того, это исследование может изменить то, как мы изучаем и понимаем некоторые из самых загадочных объектов во Вселенной.
«Мы приближаемся к горизонту черной дыры как никогда раньше», – сказал Ма.
«Раньше черные дыры казались объектами, которые мы могли понимать только косвенно, через их влияние на окружающие объекты. Но с помощью гравитационных волн мы можем слушать последние моменты слияния и искать сигнатуры из области, находящейся прямо рядом с горизонтом.
«Это ощущение достижения места, которое когда-то было совершенно недосягаемо для наблюдений, действительно захватывает».
Результаты опубликованы в Nature.
Истории ScienceAlert пишутся, проверяются по фактам и редактируются людьми, никогда не создаются ИИ. Не пропустите ни одной истории, подпишитесь здесь.
Худшие вымирания Земли могли иметь скрытый космический триггер, утверждает ученый
Химия межзвездной кометы 3I/ATLAS не похожа ни на что, что мы когда-либо видели
Официально: найдена третья галактика без темной материи, что может разрешить эпическую тайну
```