Десять лет спустя после первой прямой регистрации гравитационных волн Научная коллаборация LIGO, Virgo и KAGRA объявила о подтверждении теоремы Стивена Хокинга о площади горизонта событий чёрной дыры.
14 сентября 2015 года, 10 лет назад, два детектора Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (NSF LIGO) впервые в истории напрямую зарегистрировалигравитационные волны, несущие информацию о двух удалённых чёрных дырах, которые сблизились по спирали и слились. Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном 100 лет назад. Сигнал от слияния двух черных дыр c массами около 30 солнечных масс шёл до Земли со скоростью света около 1,3 миллиарда лет.
О том, как начинался проект, вспоминает Кип Торн, лауреат Нобелевской премии по физике 2017 года: «Рэй Вайсс предложил концепцию LIGO в 1972 году, и я подумал: “У неё мало шансов на успех”. Мне потребовалось три года размышлений и обсуждений идей с Рэем и Владимиром Брагинским (профессором физического факультета МГУ), чтобы убедиться в наличии значительных шансов на успех. Техническая сложность снижения нежелательных шумов, создающих помехи для полезного сигнала, была колоссальной. Нам пришлось изобрести совершенно новую технологию».
Более 1600 учёных со всего мира сейчас участвуют в проекте в рамках научного сотрудничества LIGO. Группа Московского университета, входящая в состав научной коллаборации LIGO, участвует в проекте с 1992 года. Вплоть до ухода из жизни ее возглавлял профессор физического факультета МГУ член-корреспондент РАН Владимир Брагинский – всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. В состав научной группы входят профессора кафедры физики колебаний физического факультета МГУ: Игорь Биленко, Сергей Вятчанин, Валерий Митрофанов и др. Неоценимый вклад в исследования вносят студенты и аспиранты кафедры.
«Десять лет тому назад были открыты гравитационные волны, предсказанные общей теорией относительности. Теперь экспериментально проверена другая великая научная идея, связанная со свойствами черных дыр. Научные идеи подтверждаются и развиваются благодаря поражающим воображение экспериментальным установкам, созданным учеными и инженерами, изобретающими уникальным технологии, основанные на новых научных открытиях. Сколько неожиданного и интересного ждет нас впереди», – пояснил профессор физического факультета МГУ Владимир Митрофанов.
В настоящее время члены российской группы проводят исследования в рамках проекта создания криогенного гравитационно-волнового детектора LIGO Voyager, в котором пробные массы будут изготовляться из высокочистого монокристаллического кремния и охлаждаться до низких температур. Другое направление исследований связано с разработкой новых эффективных методов преодоления Стандартного квантового предела чувствительности в детекторах гравитационных волн.
«Для меня юбилей открытия гравитационных волн – это, в первую очередь, повод вспомнить и поклониться памяти Владимира Борисовича Брагинского, стоявшего у истоков этого замечательного и мощного проекта. Он был источником фундаментальных работ по LIGO на физическом факультете МГУ: использование малошумных кварцевых подвесов, стандартный квантовый предел чувствительности гравитационно-волновых детекторов, параметрическая неустойчивость, расчет тепловых шумов и др. И мы пытаемся с честью нести это знамя», – поделился профессор физфака МГУ Сергей Вятчанин.
Сегодня обсерватория LIGO регулярно наблюдает примерно одно слияние черных дыр каждые три дня. LIGO теперь работает в координации с двумя международными партнерами: детектором гравитационных волн Virgo в Италии и KAGRA в Японии. Коллаборация LVK (LIGO, Virgo, KAGRA) зафиксировала в общей сложности около 300 слияний черных дыр, некоторые из которых подтверждены, а другие ожидают дальнейшего анализа. В ходе текущего научного цикла измерений, четвертого с момента первого запуска в 2015 году, LVK обнаружила около 220 кандидатов на слияние черных дыр, что более чем вдвое превышает число, обнаруженное в первых трех циклах.
Резкий рост числа открытий, сделанных с помощью LVK за последнее десятилетие, обусловлен рядом усовершенствований их детекторов, часть которых основана на передовых квантовых технологиях. Детекторы LVK остаются, безусловно, самыми точными измерительными приборами, когда-либо созданными человеком. Искажения пространства-времени, вызванные гравитационными волнами, невероятно малы. Например, LIGO регистрирует изменения пространства-времени, составляющие менее 1/10 000 размера протона.
Повышенная чувствительность LIGO наглядно продемонстрирована на примере недавнего открытия слияния чёрных дыр, обозначенного как GW250114 (цифры обозначают дату достижения Земли сигналом гравитационных волн: 14 января 2025 года). Это событие ничем не отличалось от первого в истории обнаружения LIGO (GW150914) – в обоих случаях наблюдалось столкновение чёрных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли с массами от 30 до 40 масс Солнца. Но благодаря 10 годам технологических достижений, направленных на снижение инструментальных шумов, сигнал GW250114 стал значительно более чётким. Новое исследование GW250114 публикуется в Physical Review Letters.
Анализируя частоты гравитационных волн, испускаемых при слиянии, команда LVK смогла предоставить наилучшие на сегодняшний день наблюдательные доказательства так называемой теоремы о площади чёрной дыры – идеи, выдвинутой Стивеном Хокингом в 1971 году, согласно которой общая площадь горизонта событий черных дыр не может уменьшаться. При слиянии чёрных дыр их массы суммируются, увеличивая площадь поверхности. Однако они также теряют энергию в виде гравитационных волн. Кроме того, слияние может привести к увеличению скорости вращения объединённой чёрной дыры, что приводит к уменьшению её площади. Теорема о площади чёрной дыры утверждает, что, несмотря на эти конкурирующие факторы, общая площадь поверхности должна увеличиваться. Позднее Хокинг и коллеги пришли к выводу, что площадь чёрной дыры пропорциональна её энтропии, или степени беспорядка. Эти открытия проложили путь для последующих новаторских исследований в области квантовой гравитации, которые пытаются объединить два столпа современной физики: общую теорию относительности и квантовую физику.
По сути, обнаружение LIGO позволило команде «услышать», как две чёрные дыры растут, сливаясь в одну, что подтвердило теорему Хокинга (во время этого наблюдения Virgo и KAGRA не работали). Начальная площадь поверхности чёрных дыр составляла 240 000 квадратных километров, а конечная площадь составила около 400 000 квадратных километров – явное увеличение. Это вторая проверка теоремы о площади чёрных дыр; первая проверка была проведена в 2021 году с использованием данных первого сигнала GW150914, но поскольку эти данные были не такими точными, уровень достоверности результатов составил 95% по сравнению с 99,999% для новых данных.
Самая сложная часть такого анализа была связана с определением конечной площади поверхности слившейся чёрной дыры. Площади поверхности чёрных дыр до слияния легче определить, когда пара чёрных дыр скручивается по спирали, деформируя пространство-время и создавая гравитационные волны. Но после слияния чёрных дыр сигнал становится не столь чётким. Во время этой так называемой фазы спада чёрная дыра вибрирует подобно звучанию колокола.
В новом исследовании исследователи смогли точно измерить детали фазы звона, что позволило им рассчитать массу и спин черной дыры, а затем определить площадь ее поверхности. Точнее, им впервые удалось уверенно выделить две отдельные моды гравитационных волн в фазе звона. Эти моды похожи на характерные звуки, которые издает колокол при ударе; они имеют близкие частоты, но затухают с разной скоростью, что затрудняет их идентификацию. Улучшенные данные для GW250114 позволили команде выделить моды, продемонстрировав, что звон черной дыры произошел точно так, как предсказывали математические модели, основанные на формализме С. Тьюкольского, разработанном в 1972 году.
Еще одно исследование LVK, представленное журналу Physical Review Letters, устанавливает ограничения на прогнозируемый третий, более высокий тон в сигнале GW250114 и проводит некоторые из самых строгих на сегодняшний день тестов точности общей теории относительности при описании сливающихся черных дыр.
За последнее десятилетие обсерватории LIGO и Virgo зарегистрировали также столкновение и слияние пары нейтронных звёзд с образованием килоновой. Как и чёрные дыры, нейтронные звёзды образуются при взрывной гибели массивных звёзд, но они легче и светятся. Событие произошло в августе 2017 года. Тогда к детекторам LIGO присоединился детектор Virgo, что позволило достаточно точно определить положение источника на небесной сфере. Событие было зарегистрировано астрономическими обсерваториями по всему миру, которые зафиксировали электромагнитное излучение в диапазоне от высокоэнергетического гамма-излучения до низкоэнергетических радиоволн. Это «многоканальное» астрономическое событие стало первым случаем, когда и электромагнитные, и гравитационные волны были зарегистрированы в одном космическом событии. Сегодня LVK продолжает информировать астрономическое сообщество о потенциальных столкновениях нейтронных звёзд, которое затем использует телескопы для поиска признаков килоновых.
Другие научные открытия LVK включают первое обнаружение столкновений между нейтронной звездой и черной дырой; асимметричные слияния, в которых одна черная дыра значительно массивнее своей партнерской черной дыры; открытие самых легких из известных черных дыр, что ставит под сомнение идею о существовании «пробела масс» между нейтронными звездами и черными дырами; а также самое массивное на сегодняшний день слияние черных дыр с объединенной массой в 225 солнечных масс.
Ещё за десятилетия до того, как LIGO начал собирать данные, учёные закладывали фундамент, сделавший возможным развитие гравитационно-волновой науки. Например, прорывы в компьютерном моделировании слияний чёрных дыр позволяют команде проекта извлекать и анализировать слабые гравитационно-волновые сигналы, генерируемые по всей Вселенной.
В ближайшие годы учёные и инженеры LVK надеются продолжить тонкую настройку своих приборов, расширяя их возможности заглядывать все дальше вглубь космического пространства. Они также планируют использовать полученные знания для создания ещё одного детектора гравитационных волн – LIGO India. Наличие третьей обсерватории LIGO значительно повысит точность локализации источников гравитационных волн сетью LVK.
Команда планирует разработать концепцию ещё более крупного детектора под названием Cosmic Explorer, длина плеч которого составит 40 километров (у двух обсерваторий LIGO длина плеч составляет 4 километра). Европейский проект под названием Einstein Telescope также планирует построить один или два огромных подземных интерферометра с длиной плеч более 10 километров. Обсерватории такого масштаба позволят учёным регистрировать самые ранние слияния чёрных дыр во Вселенной.