Волосы, которые нельзя увидеть: чёрные дыры подают тайные сигналы

Витор Кардозо: данные гравитационных волн подтверждают идеи Эйнштейна

В основе представлений о чёрных дырах лежит знаменитая идея Альберта Эйнштейна: их свойства определяются всего двумя параметрами — массой и скоростью вращения. Эта концепция получила образное название "чёрные дыры без волос". Однако современные наблюдения и детекторы гравитационных волн позволяют астрономам проверять, действительно ли всё так просто.

Проверка идей Эйнштейна

За последние десять лет учёные зафиксировали сотни сигналов от слияний чёрных дыр. В момент столкновения образуется более массивный объект, который колеблется, испуская гравитационные волны. Если теория относительности верна, форма этих сигналов зависит только от массы и спина. Любые отклонения могут указать на новые физические эффекты — своеобразные "волосы" чёрной дыры.

По словам физика Нильсборовского института Витора Кардозо:

"С годами и с накоплением событий мы поняли, что можем проводить более сильные и надёжные проверки теории [общей относительности] - или её альтернатив", — отметил он.

Недавний обзор, подготовленный десятками исследователей, показал: данные пока полностью совпадают с предсказаниями Эйнштейна. Любые возможные "волосы" должны располагаться ближе к горизонту событий, чем в пределах 40 километров.

Парадокс информации

Загадка чёрных дыр связана с более фундаментальным конфликтом — противоречием между общей теорией относительности и квантовой механикой. Согласно Эйнштейну, объект, попавший в чёрную дыру, теряет всю индивидуальность: остаётся лишь его вклад в массу и вращение. Но квантовая теория требует сохранения информации. Несостыковка привела к появлению "парадокса информации".

В 2012 году физики предложили мысленный эксперимент, показавший, что при взаимодействии с чёрной дырой может появиться дублирование информации, что недопустимо в квантовой механике. Чтобы объяснить этот феномен, учёные ввели гипотезу "стены огня" или концепцию "пушистых шаров" (fuzzballs), где горизонт событий перестаёт быть чёткой границей.

Короткие и длинные "волосы"

Попытки примирить квантовую механику с теорией Эйнштейна породили множество идей. Среди них — квантовые "волосы", которые должны проявляться в виде слабых "эхо" гравитационных волн. Пока их найти не удалось, но это не исключает существования таких структур.

Некоторые физики ищут и более заметные эффекты — "длинные волосы", которые изменили бы саму геометрию пространства-времени. Здесь научная фантазия особенно широка: от "гравастаров" с экзотической оболочкой до "регулярных" чёрных дыр без сингулярности.

Математика и новые методы

Серьёзный прогресс достигнут благодаря объединению усилий европейских и японских обсерваторий Virgo и KAGRA с американским проектом LIGO. Проблема состояла в сложности расчётов для вращающихся чёрных дыр. В 2023 году физики из Лёвенского университета разработали методику, позволяющую моделировать поведение таких объектов даже в случае отклонений от теории Эйнштейна.

Их совместные исследования с коллегами из Копенгагена и Бирмингема показали: вероятность отклонений от предсказаний Эйнштейна за пределами 40 километров от горизонта событий составляет менее 5%. Это значит, что, по крайней мере на этих масштабах, чёрные дыры ведут себя так, как и предсказывал учёный.

Что дальше

В ближайшие годы к действующим обсерваториям добавится новая в Индии. А к 2030-м заработают детекторы нового поколения — Cosmic Explorer в США и "телескоп Эйнштейна" в Европе. Эти проекты обещают в десятки раз повысить точность измерений и позволят искать нарушения на куда меньших масштабах — вплоть до размеров футбольного поля.

"Вполне возможно, что мы подтвердим теорию общей относительности Эйнштейна с точностью до пяти знаков после запятой, и это будет замечательно, — сказал Симон Маено. — Но также возможно, что мы наткнёмся на что-то неожиданное".