Астрономы впервые зафиксировали гравитационно-волновой сигнал, который может исходить непосредственно с горизонта событий черной дыры. Для этого они проанализировали данные от слияния двух черных дыр и удалили из них уже известные типы колебаний. В остаточном сигнале обнаружились колебания, чьи характеристики совпадают с теоретическими предсказаниями о поведении вещества и пространства-времени вблизи горизонта событий.
Как удалось поймать сигнал
После открытия гравитационных волн астрономы научились определять массы и скорости вращения сливающихся черных дыр. Однако большинство таких исследований касается не самого горизонта событий, а области вокруг него. Поэтому ученые поставили целью проверить теоретическое предсказание о существовании так называемой «прямой волны» (англ. direct wave) — сигнала, который должен возникать непосредственно вблизи горизонта событий в момент формирования новой черной дыры.
Для этого исследователи проанализировали гравитационно-волновой сигнал GW250114, зарегистрированный обсерваториями LIGO. Это один из наиболее мощных сигналов гравитационных волн, образовавшийся в результате слияния двух черных дыр массами около 34 и 32 масс Солнца, после чего сформировалась новая черная дыра массой примерно 63 массы Солнца.
Сначала ученые удалили из зарегистрированного сигнала известные послеконтактные колебания, которые обычно используют для изучения черных дыр — это квазинормальные моды (англ. quasinormal modes), возникающие в результате «звона» пространства-времени после слияния.
После фильтрации шума математическими методами результат сравнили с теоретическими моделями. В итоге были обнаружены дополнительные колебания, сохранявшиеся в течение примерно 0,2 секунды после момента слияния.
Частота этих колебаний составила около 200 герц и не совпадала ни с одним из известных типов послеконтактных колебаний черной дыры. Вместо этого она оказалась близка к значению, которое теория предсказывает для сигналов, возникающих вблизи горизонта событий из-за искривления пространства-времени быстро вращающейся черной дырой.
Полученное соотношение сигнала к шуму составило около 16–17. Это означает, что амплитуда обнаруженной волны была примерно в 16–17 раз выше уровня фонового шума детектора. В гравитационно-волновой астрономии такой показатель считается надежным: вероятность того, что это случайная флуктуация, а не реальный физический сигнал, крайне мала.
Что такое «прямая волна»
«Прямая волна» — это гравитационное излучение, возникающее непосредственно у горизонта событий в процессе формирования новой черной дыры. В отличие от квазинормальных мод, которые представляют собой затухающие колебания пространства-времени после слияния, прямая волна генерируется самим горизонтом событий и несет информацию о его геометрии и динамике.
Теоретически ее существование предсказывалось на основе общей теории относительности, однако до сих пор прямых наблюдательных свидетельств не было. Обнаружение такого сигнала открывает возможность непосредственного изучения свойств горизонта событий — границы, за которой гравитация искривляет пространство настолько, что для преодоления этого барьера требуется скорость, превышающая скорость света. А значит, все, что его пересекло — вещество, свет, информация — обречено на движение только внутрь и навсегда отрезано от внешней Вселенной.
Что это меняет
Обнаруженный сигнал — первое прямое свидетельство того, что горизонт событий можно «услышать» через гравитационные волны. До сих пор все измерения касались области вокруг черной дыры, но не самой границы невозврата.
Если результат подтвердится повторными наблюдениями, это даст инструмент для прямой проверки одного из самых радикальных предсказаний общей теории относительности: существования границы, миновав которую, ничто, включая свет, не способно вернуться. Альтернативные теории гравитации, некоторые из которых вовсе не предполагают существования горизонта событий, предсказывают для этой области иную форму сигнала. Сравнение с реальными данными позволит подтвердить или опровергнуть эти модели.
Кроме того, анализ «прямых волн» открывает возможность измерять параметры черных дыр — массу, вращение, деформацию горизонта — с точностью, недоступной через традиционные квазинормальные моды. Это особенно важно в преддверии запуска космической гравитационно-волновой обсерватории NASA/ESA LISA (2030-е годы), которая сможет регистрировать такие сигналы от черных дыр с недоступных наземным обсерваториям расстояний и проследить историю их формирования.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Читайте также: Древние гравитационные волны могли породить темную материю.
