Изучение 'точки невозврата' черной дыры с помощью самых громких гравитационных волн

Самый громкий удар гравитационных волн, когда-либо зарегистрированный, дал нам представление о горизонтах событий, границах, за которыми ничто не может избежать захвата черными дырами.

Сигнал гравитационных волн GW250114 был зафиксирован в январе 2025 года обсерваториями LIGO (Лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн), Virgo и KAGRA (Детектор гравитационных волн Камиока). Сигнал был создан, когда две черные дыры с массой около 32 солнечных масс столкнулись и вызвали колебания самой структуры пространства.

Теперь группа исследователей оценили этот сигнал и обнаружила, что одна из особенностей гравитационных волн представляет собой коллективный горизонт событий вовлеченных черных дыр в момент этого столкновения.

"Мы измерили последний звук, который издали черные дыры при столкновении. Скрытый в этом сигнале небольшой компонент, называемый прямыми волнами, ранее не был хорошо понятен," — сказал соавтор исследования Нил Лу из Центра передового опыта по открытию гравитационных волн ARC (OzGrav). "Наш новый анализ позволяет нам расшифровать этот компонент и извлечь уникальную информацию из близости к горизонту событий."

Исследование команды представляет собой интригующую возможность того, что ученые могут использовать гравитационные волны для изучения этих загадочных границ черных дыр.

Горизонты событий и точка невозврата

Концепция горизонта событий впервые появилась в результате решений уравнений теории гравитации Альберта Эйнштейна 1915 года, общей теории относительности. Эти решения были разработаны Карлом Шварцшильдом, когда он служил в немецкой армии на Восточном фронте в Первой мировой войне.

Шварцшильд нашел точку вокруг тела с массой, в которой скорость убегания, необходимая для выхода из гравитационного захвата этого тела, превышает скорость света. Также известный как радиус Шварцшильда, размер этой границы зависит от массы тела. Таким образом, радиус Шварцшильда для солнца составит около 1.86 миль (3 километра) от его центра масс; для Земли — всего 0.35 дюйма (9 миллиметров) от центра масс нашей планеты. Это относится ко всем планетам и звездам; радиус Шварцшильда находится внутри тел этих объектов.

Однако для черной дыры радиус Шварцшильда находится далеко от центра масс, действуя как внешняя граница, захватывающая свет: горизонт событий. Чтобы избежать гравитационного захвата черной дыры из этой точки, материи нужно было бы ускориться до скорости, превышающей скорость света, что, согласно теории специальной относительности Эйнштейна, требует бесконечной энергии. Ничто в вселенной не движется быстрее света; следовательно, ничто не может покинуть горизонт событий.

Чтобы понять, почему это окутывает черную дыру тайной, рассмотрим, как ни один сигнал не может двигаться быстрее света. Это означает, что горизонт событий является односторонним барьером для информации. Черная дыра может поглотить информацию, но горизонт событий не позволяет ей выйти наружу. Мы никогда не сможем наблюдать внутреннюю часть черной дыры.

Неудивительно, что ученые так стремятся изучать горизонты событий и то, что там происходит. Они не только хотят понять физику материи, которая отправляется в одностороннее путешествие в пасть черной дыры, но и влияние этих космических титанов на саму структуру пространства.

Огромное гравитационное влияние черных дыр означает, что, когда они вращаются, они тянут за собой саму структуру пространства, явление, называемое "вытягиванием рамки" или эффектом Ленса-Тирринга. Это вводит еще одно правило о горизонтах событий — ничто не может покинуть эту границу, и ничто там не остается неподвижным. Это исследование приближает ученых к пониманию этих правил более подробно, чем когда-либо прежде.

"Мы изучили GW250114, самый громкий сигнал бинарной черной дыры, наблюдаемый на сегодняшний день, примерно в три раза громче, чем первый сигнал гравитационных волн, обнаруженный десять лет назад," — сказал соавтор команды Линг Сун из OzGrav. "Наш анализ показывает, что этот исключительно громкий сигнал можно использовать как мощный зонд горизонта остаточной черной дыры, позволяя нам измерить ее две основные характеристики: частоту вращения и поверхностную гравитацию."

Результаты также могут пролить больше света на поведение гравитации в самой экстремальной среде во вселенной, на самом краю черной дыры.

"Эти измерения являются первым шагом к будущим тестам общей теории относительности с прямыми волнами," — сказал Лу.

Исследование было опубликовано в среду (24 июня) в журнале Nature.