Вивчення "точки без повернення" чорної діри за допомогою найгучніших гравітаційних хвиль, які коли-небудь чули

Найгучніший удар гравітаційних хвиль, який коли-небудь чули, надав нам уявлення про горизонти подій, межі, за якими нічого не може втекти з обіймів чорних дір.

Сигнал гравітаційних хвиль GW250114 був зафіксований у січні 2025 року LIGO (Лазерний інтерферометр гравітаційних хвиль), Virgo та KAGRA (Детектор гравітаційних хвиль Каміока). Сигнал виник, коли дві чорні діри з масою приблизно в 32 рази більшою за масу Сонця зіткнулися, викликавши хвилі у самій тканині простору.

Тепер команда дослідників оцінила цей сигнал і виявила, що одна з характеристик у гравітаційних хвилях представляє колективний горизонт подій залучених чорних дір у момент цього зіткнення.

"Ми виміряли останній звук, який чорні діри видали під час зіткнення. Прихований у цьому сигналі є невеликий компонент, званий прямими хвилями, який раніше не був добре зрозумілий," - сказав співавтор дослідження Ніл Лу з ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), у заяві. "Наш новий аналіз дозволяє нам розшифрувати цей компонент і витягти унікальну інформацію з близькості до горизонту подій."

Дослідження команди представляє цікаву можливість, що вчені можуть використовувати гравітаційні хвилі для вивчення цих таємничих меж чорних дір.

Горизонти подій і точка без повернення

Концепція горизонту подій вперше виникла через рішення до рівнянь теорії гравітації Альберта Ейнштейна 1915 року, загальної теорії відносності. Ці рішення були розроблені Карлом Шварцшильдом під час служби в німецькій армії на Східному фронті під час Першої світової війни.

Шварцшильд виявив точку навколо тіла з масою, в якій швидкість втечі, необхідна для втечі з гравітаційних обіймів цього тіла, перевищує швидкість світла. Відомий також як радіус Шварцшильда, розмір цієї межі залежить від маси тіла. Отже, радіус Шварцшильда для Сонця становитиме приблизно 1,86 милі (3 кілометри) від його центру маси; для Землі це буде всього 0,35 дюйма (9 міліметрів) від центру маси нашої планети. Це стосується всіх планет і зірок; радіус Шварцшильда знаходиться всередині цих об'єктів.

Однак для чорної діри радіус Шварцшильда знаходиться далеко від центру маси, діючи як зовнішня межа, що затримує світло: горизонт подій. Щоб втекти з гравітаційних обіймів чорної діри з цієї точки, матерія повинна прискоритися до швидкості, що перевищує швидкість світла, що, згідно з теорією спеціальної відносності Ейнштейна, вимагатиме безмежної енергії. Нічого в універсумі не рухається швидше за світло; отже, нічого не може втекти з горизонту подій.

Щоб зрозуміти, чому це огортає чорну діру в таємницю, розгляньте, як жоден сигнал не може подорожувати швидше за світло. Це означає, що горизонт подій є одностороннім бар'єром для інформації. Чорна діра може поглинути її, але горизонт подій заважає їй вивільнити інформацію. Ми ніколи не зможемо спостерігати внутрішню частину чорної діри.

Не дивно, що вчені так прагнуть вивчати горизонти подій і те, що відбувається там. Вони не лише хочуть зрозуміти фізику матерії, яка бере участь у односторонній подорожі в пащу чорної діри, але й вплив на саму тканину простору, який мають ці космічні титани.

Величезний гравітаційний вплив чорних дір означає, що, коли вони обертаються, вони тягнуть саму тканину простору за собою, явище, зване "перетягуванням кадру" або ефектом Ленса-Тірінга. Це вводить ще одне правило про горизонти подій — не лише нічого не може втекти з цієї межі, нічого там також не залишається спокійним. Це дослідження наближає вчених на один крок ближче до розуміння цих правил у більш детальному вигляді, ніж будь-коли раніше.

"Ми вивчали GW250114, найгучніший сигнал бінарної чорної діри, зафіксований до сьогодні, приблизно в три рази голосніше, ніж перший сигнал гравітаційних хвиль, виявлений десятиліття тому," - сказала співавтор команди Лінг Сун з OzGrav. "Наш аналіз показує, що цей надзвичайно гучний сигнал можна використовувати як потужний зонд горизонту залишкової чорної діри, що дозволяє нам виміряти її дві основні властивості: частоту обертання та поверхневу гравітацію."

Результати також можуть пролити більше світла на поведінку гравітації в найекстремальнішому середовищі у всесвіті, на самому краю чорної діри.

"Ці вимірювання є першим кроком до майбутніх тестів загальної теорії відносності з прямими хвилями," - сказав Лу.

Дослідження було опубліковане в середу (24 червня) у журналі Nature.