Обнаруженные внутри гравитационных волн эхо-сигналы бросают вызов теории Эйнштейна

В феврале этого года астрономы совершили монументальное открытие. Почти через сто лет с момента их предсказания Альбертом Эйнштейном ученые наконец обнаружили гравитационные волны – «рябь пространства времени», подсвеченная излучением двух сливающихся черных дыр. Это наблюдение стало очень ярким подтверждением общей теории относительности Эйнштейна, но в то же время это событие явилось дерзким доказательством того, что законы этой теории перестают работать, как только достигают горизонта событий черных дыр.

С февраля этого года Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) в общей сложности три раза стала свидетелем гравитационных волн. Исследователи наконец внимательно изучили полученные данные и теперь заявляют, что нашли доказательство так называемого «эха» внутри волн, которые бросают вызов предсказаниям Эйнштейна о черных дырах.

В настоящий момент эти заявления опубликованы в научной онлайн-библиотеке ArXiv.org, где они могут быть проанализированы другими представителями сообщества физиков, перед тем как предстанут перед экспертной оценкой. Поэтому есть вполне реальная вероятность того, что в рамках стороннего взгляда на данные о наблюдениях за этими эхо-сигналами будут найдены свежие факты. Кроме того, приведенные доказательства были предоставлены с погрешностью 5 Sigma, что является золотым стандартом в мире физики. Это означает, что на 3,5 миллиона есть одна возможность того, что результаты наблюдений являются простой случайностью.

Однако если другие исследования покажут, что это «эхо» на самом деле присутствует, то для физики это станет огромным событием. Ранее уже выдвигались предположения, что законы общей теории относительности разбиваются в пух и прах с приближением к центу черных дыр, но это открытие покажет, что законы также перестают работать и на границах этих пространственно-временных феноменов. Если это так, то это может положить начало рождению законов совершенно новой физики.

«Открытие LIGO и в перспективе других организаций предлагает удивительную возможность исследовать новые физические законы», — говорит Стив Гиддингс, исследователь черных дыр из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, не принимавший участия в описываемом сегодня исследовании.

Если эхо-сигналы окажутся пустышкой, то общей теории относительности нужно будет всего лишь выдержать просто очередной тест. Десятилетиями физики пытались подстраивать черные дыры в эту теорию, стараясь найти пути, которые объединяли бы ее с квантовой механикой, однако предложенная Эйнштейном теория до сегодняшнего момента держалась молодцом.

Но перед тем, как продолжить обсуждение, давайте разберемся, чем же являются эти эхо-сигналы и какое отношение они имеют к общей теорией относительности.

Здесь все сводится к так называемому информационному парадоксу черных дыр. Согласно теории Эйнштейна, все, что пересекает горизонт событий черных дыр, должно исчезать, не оставляя после себя ничего. В традиционном понимании это означает, что ничто, даже свет, не способно выбраться из черной дыры (отсюда, кстати, и название этого объекта).

В последнее время ученые сильно озадачились проверкой этой теории. Ведь согласно законам квантовой механики, материя, поглощенная черной дырой, на самом деле может оставлять после себя след в виде информации. Так каким образом горизонт событий можно одновременно описать и с точки зрения общей теории относительности (все уничтожается после пересечения его границ), и с точки зрения квантовой механики (от объекта остается его информация)?

Этот вопрос является одним из самых сложных в современной физике, и ученые по-прежнему не могут найти на него ответ.

Одним из предлагаемых объяснений является гипотеза файервола, предложенная в 2012 году и предполагающая, что вокруг горизонта событий имеются кольца из высокозаряженных частиц, которые испепеляют любую материю, которая через них проходит.

У физика Стивена Хокинга имеется другое предположение. Он считает, что черные дыры могут быть окружены мягкими «волосами» (волосы, конечно же, употреблены здесь в качестве метафоры). Эти «волосы» представляют собой низкозаряженные квантовые возмущения и хранят в себе сигнатуры (информацию, если хотите) всего того, что когда-то попало в черную дыру.

Вне зависимости от того, к какой гипотезе вы больше склоняетесь, основной их посыл одинаков: вместо чистого горизонта событий, предсказанного общей теорией относительности, границы черных дыр могут быть гораздо сложнее и размытее, чем мы представляли. И основной проблемой здесь являлось то, что у нас не было возможности каким-то образом проверить эти предположения. До тех пор, пока LIGO не обнаружила гравитационные волны.

Теперь, при наличии данных на руках, международная команда исследователей предлагает способ, который позволит узнать, что же происходит вокруг черных дыр. Согласно новому предположению, если горизонты событий черных дыр на самом деле не поддаются законам общей теории относительности, то после первоначальных гравитационных волн должны оставаться эхо-сигналы.

Согласно исследователям, обнаружить их удастся благодаря окружающим черную дыру «волосам», находящимся в состоянии возбуждения и ведущим себя в этот момент как зеркала. Они захватывают некоторые ускользающие от черной дыры гравитационные волны, обволакивают их, передавая часть своего состояния возмущения, и после этого могут быть обнаружены инструментами вроде LIGO.

Согласно расчетам ученых, эти эхо-сигналы можно было бы обнаружить с помощью LIGO спустя 0,1 и 0,3 секунды после первоначального выброса гравитационной волны. И — о чудо! Свидетелями именно этого ученые и стали! При этом событие наблюдалось не только в рамках первого обнаружения гравитационных волн в феврале этого года, но и в рамках всех трех наблюдений гравитационных волн в этом году.

Следует, конечно, понимать, что три события сложно назвать уверенными статистическими данными. Поэтому пока остается возможность, что эти эхо-сигналы являлись своего рода фоновым шумом (в 1 на 270 случаев, или погрешностью 2,9 Sigma), однако дальнейшие наблюдения помогут исследователям собрать более уверенную доказательную базу.

«Хорошая новость заключается в том, что в скором времени четкость и чувствительность LIGO существенно повысится, поэтому у нас появится более твердая возможность в течение ближайших двух лет подтвердить или опровергнуть эти наблюдения», — говорит ведущий исследователь Ниайеш Афшорди.

Даже если эхо-сигналы удастся подтвердить, они не ответят на вопрос о том, каким уровнем нечеткости обладают границы черных дыр. Поэтому решение информационного парадокса пока откладывается. Пока ясно одно: одно из важнейших открытий в физике в этом году стало еще более заманчивым.