«Апостериори»: Гравитационно-волновая астрономия перешла от эпохи отдельных открытий к эпохе статистики

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Международная коллаборация LIGO–Virgo–KAGRA опубликовала новый каталог гравитационно-волновых событий GWTC-5.0. В него вошёл 161 новый сигнал, зарегистрированный с апреля 2024 по январь 2025 года. Общее число подтверждённых гравитационно-волновых событий теперь достигло 390.

Гравитационные волны – это рябь пространства-времени, возникающая при движении очень массивных объектов. Чаще всего современные детекторы регистрируют волны от слияний чёрных дыр. Когда две чёрные дыры вращаются вокруг общего центра масс, они постепенно теряют энергию в виде гравитационных волн, сближаются, а затем сливаются в одну новую чёрную дыру.

Первое прямое наблюдение такого события было сделано в 2015 году. Тогда получение такого сигнала стало исключительным открытием. Но за прошедшие десять лет ситуация сильно изменилась. Теперь детекторы во время наблюдательных циклов регистрируют в среднем по 3–4 сигнала в неделю. Такая частота даёт астрономам достаточно большую выборку, чтобы изучать чёрные дыры как популяцию: сравнивать их массы, скорости вращения, расстояния до них и возможные сценарии их происхождения.

Среди новых результатов особенно выделяются несколько событий. 

Первое – GW240615. Этот сигнал был зарегистрирован 15 июня 2024 года двумя детекторами LIGO в США и детектором Virgo в Европе. Его источник удалось локализовать на участке неба площадью всего около 6 квадратных градусов. Для гравитационно-волновой астрономии это рекордно точное определение положения источника. Само событие было слиянием двух чёрных дыр массой примерно 26 и 30 масс Солнца на расстоянии более 3 миллиардов световых лет от Земли.

Точная локализация важна потому, что она позволяет искать возможные электромагнитные следы таких событий – например, вспышки в оптическом, рентгеновском или гамма-диапазоне. В случае слияний двух чёрных дыр такие вспышки обычно не ожидаются, но для слияний нейтронных звёзд или нейтронной звезды с чёрной дырой это особенно важно. Чем меньше область поиска на небе, тем выше шанс быстро навести на неё другие телескопы.

Второй важный результат связан с событием GW250114. Этот сигнал достиг Земли 14 января 2025 года и был вызван слиянием двух чёрных дыр массой около 32 и 34 масс Солнца на расстоянии более миллиарда световых лет. Он оказался самым «чистым» гравитационно-волновым сигналом из всех когда-либо зарегистрированных.

Благодаря этому учёные смогли провести особенно точную проверку общей теории относительности. После слияния новая чёрная дыра некоторое время испускает затухающие гравитационные волны. Эта стадия называется ringdown. Согласно общей теории относительности, частоты такого «отзвука» должны определяться только массой и вращением конечной чёрной дыры.

В случае GW250114 исследователи смогли измерить две такие моды колебаний и ограничить параметры третьей. Это делает наблюдение похожим на спектроскопию чёрной дыры: по её «звучанию» можно проверять, действительно ли она ведёт себя так, как предсказывает теория Эйнштейна.

Ещё один важный результат – подтверждение теоремы площади горизонта событий, предложенной Стивеном Хокингом. Согласно этой теореме, общая площадь горизонтов событий чёрных дыр после слияния не должна уменьшаться. Даже несмотря на то, что часть энергии уносится гравитационными волнами, новая чёрная дыра должна иметь горизонт событий, площадь которого не меньше суммы площадей исходных горизонтов. Наблюдение GW250114 позволило проверить это с рекордной точностью.

Наконец, новый каталог содержит признаки существования так называемых чёрных дыр второго поколения. Это чёрные дыры, которые сами могли образоваться в результате более ранних слияний. Если такая чёрная дыра затем снова участвует в слиянии, это означает, что она находилась в очень плотной среде – например, в шаровом звёздном скоплении или в окрестностях центра галактики, где чёрные дыры могут многократно сближаться и сталкиваться.

Таким образом, новый каталог важен не одной конкретной находкой, а самим масштабом данных. Гравитационно-волновая астрономия начинает работать не только как способ фиксировать редкие катастрофические события, но и как инструмент изучения эволюции чёрных дыр, расширения Вселенной и фундаментальных законов физики.

И пока эти данные снова хорошо согласуются с общей теорией относительности. Но чем больше становится каталог, тем выше шанс заметить не только подтверждения известной теории, но и возможные малые отклонения от неё. Именно в таких отклонениях в будущем могут проявиться следы новой физики.