Золотой век физики: мощнейший гравитационно-волновой сигнал подтвердил теорию Эйнштейна

Ученые использовали самый мощный из когда-либо зарегистрированных гравитационно-волновых сигналов, чтобы подвергнуть более чем 100-летнюю теорию гравитации Альберта Эйнштейна самому жесткому испытанию — и она вновь его выдержала.

Сигнал, получивший обозначение GW250114, возник в результате слияния двух черных дыр, каждая из которых примерно в 30 раз массивнее Солнца, на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Это событие вызвало рябь в пространстве-времени, называемую гравитационными волнами, которая достигла Земли 14 января 2025 года и была зарегистрирована американской лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией LIGO.

Ученые отмечают, что это событие очень похоже на то, которое привело к первому прямому обнаружению гравитационных волн в 2015 году. Это позволяет предположить, что черные дыры в обоих слияниях были схожи по размеру и удаленности от Земли.

Однако новый сигнал был зарегистрирован с четкостью примерно в три раза выше, чем то историческое открытие 2015 года, что позволило ученым проверить общую теорию относительности Эйнштейна с беспрецедентной строгостью.

«Это было совершенно явно самое громкое событие», — рассказал Live Science Киф Митман, постдокторант Корнеллского центра астрофизики и планетарных наук и соавтор нового исследования. «Это одно событие дало больше информации для определенных тестов общей теории относительности, чем все, что мы видели раньше».

Исключительная четкость сигнала обусловлена десятилетием постоянных модернизаций детекторов, пояснил Митман. Эти улучшения позволили снизить уровень шумов от источников, которые раньше мешали приему космических сигналов, включая сейсмические вибрации и даже проезжающие грузовики. В результате детекторы стали достаточно чувствительными, чтобы уловить мельчайшие искажения пространства-времени — изменения в 700 триллионов раз тоньше человеческого волоса, — вызванные недавно зарегистрированным слиянием черных дыр.

«Звон» черной дыры

Благодаря высокой четкости недавно зарегистрированного сигнала, Митман и его коллеги смогли детально изучить мимолетную стадию после слияния, известную как «звон» (ringdown). На этой фазе новообразованная черная дыра непродолжительное время вибрирует — подобно удару колокола — испуская гравитационные волны с характерными паттернами, или «тонами», которые кодируют ключевые свойства черной дыры, включая ее массу и спин.

В сигнале GW250114 исследователи обнаружили два основных тона, предсказанных для такого слияния. Каждый тон дал независимое измерение массы и спина черной дыры — и эти значения совпали, что фактически подтвердило общую теорию относительности, сообщает команда ученых в исследовании.

Впервые ученые также уверенно идентифицировали более тонкий, короткоживущий «обертон», который появляется в самом начале звона — еще одна особенность, давно предсказанная общей теорией относительности.

«Это событие сделало совершенно очевидным, что это предсказание Эйнштейна действительно присутствует в сигнале, что было невероятно захватывающе», — сказал Митман Live Science.

Если бы измерения разошлись, добавил он в своем заявлении, «нам, физикам, пришлось бы много работать, чтобы попытаться объяснить, что происходит и какова истинная теория гравитации в нашей Вселенной».

Более ранний анализ того же события, опубликованный в сентябре 2025 года, подтвердил еще одно важное предсказание, основанное на общей теории относительности, которое Стивен Хокинг сделал более 50 лет назад. Хокинг предсказал, что площадь поверхности черной дыры — размер ее горизонта событий — никогда не может уменьшиться, даже несмотря на то, что колоссальное количество энергии уходит во время слияния в виде гравитационных волн.

В случае GW250114 ученые подсчитали, что две исходные черные дыры имели общую площадь поверхности около 240 тысяч квадратных километров. После слияния образовавшаяся черная дыра имела площадь поверхности около 400 тысяч квадратных километров, что согласуется с предсказанием Хокинга.

Золотой век

Несмотря на неоднократные успехи общей теории относительности в описании крупномасштабных космических явлений, физики подозревают, что эта теория не может быть полным описанием гравитации в нашей Вселенной. Например, она не может объяснить темную материю или темную энергию, которые необходимы для объяснения удержания галактик и их скоплений, а также ускоряющегося расширения Вселенной. Также она не согласуется с квантовой механикой — основой, описывающей природу на самых малых масштабах.

Ученые надеются, что гравитационные волны от энергичных слияний черных дыр когда-нибудь проявят незначительные отклонения от предсказаний Эйнштейна, что потенциально может открыть новую физику.

Фаза «звона» особенно перспективна для таких проверок, говорит Митман. Многие теории, выходящие за рамки теорий Эйнштейна, предсказывают несколько иные паттерны вибрации во время этой фазы, поэтому измерение более чем одного тона, как это сделала его команда с GW250114, может помочь ученым установить ограничения на возможные отклонения от общей теории относительности.

Если бы было обнаружено несоответствие, исследователи могли бы сравнить данные с предсказаниями альтернативных теорий гравитации, чтобы определить, какая из них, если таковая вообще имеется, соответствует реальности.

«Должен быть какой-то способ разрешить этот парадокс, чтобы согласовать нашу теорию гравитации с нашей теорией квантовой механики», — заявил Митман.

Детекторы следующего поколения, включая предлагаемые Европейский телескоп Эйнштейна и американский Cosmic Explorer, будут в 10 раз чувствительнее современных установок. В дополнение к обнаружению большего количества событий, подобных GW250114, эти детекторы смогут наблюдать гравитационные волны более низкой частоты, которые соответствуют более массивным черным дырам, что позволит ученым исследовать совершенно новые классы этих космических гигантов.

Исследователи также возлагают большие надежды на европейскую лазерно-интерферометрическую космическую антенну LISA, которая, как ожидается, будет наблюдать гравитационные волны от сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Запуск LISA запланирован на 2035 год. Ожидается, что LISA зарегистрирует огромное количество событий и сможет различить десятки различных тонов в рамках одного слияния черных дыр.

«Сейчас мы живем в режиме нехватки данных и в основном ждем у моря погоды, когда поступит больше информации», — говорит Митман. «Как только LISA заработает, нас просто захлестнут данные».

Если финансирование науки о гравитационных волнах продолжится, добавил он, «мы станем свидетелями все большего количества таких «золотых» событий и действительно начнем постигать удивительные аспекты природы гравитации в нашей Вселенной».