Гравитационные волны впервые раскрыли свойства горизонта событий черной дыры

Горизонт событий — это граница черной дыры, за которой материя и даже свет навсегда исчезают для внешнего наблюдателя. Долгое время ученые могли изучать лишь окрестности этой области, наблюдая аккреционные диски, джеты или «тень» сверхмассивных объектов с помощью Телескопа горизонта событий. Однако прямые измерения свойств самого горизонта оставались недоступными.

Новый тип сигнала в гравитационных волнах

Ситуация изменилась с появлением гравитационно-волновых обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA. Когда две черные дыры сталкиваются и сливаются, они порождают колебания пространства-времени — гравитационные волны. После слияния новорожденная черная дыра «звенит», испуская так называемые квазинормальные моды, которые несут информацию о ее массе и скорости вращения. Но, как выяснили предыдущие исследования, эти колебания больше связаны с областью вокруг дыры, чем с самим горизонтом.

Теперь исследователи обратили внимание на другой компонент сигнала, предсказанный теоретиками — «прямую волну». Это излучение возникает в момент перехода от орбитального движения двух черных дыр к формированию единого объекта. Согласно расчетам, его характеристики напрямую зависят от свойств горизонта событий.

Первый успешный анализ события GW250114

Проанализировав событие слияния, получившее обозначение GW250114, ученые выявили признаки прямой волны. Оказалось, что частота колебаний волны близка к удвоенной скорости вращения горизонта событий. Это объясняется тем, что вращающаяся черная дыра увлекает за собой пространство-время, закручивая его вокруг себя. Кроме того, сигнал постепенно затухал с темпом, который зависит от поверхностной гравитации горизонта. Таким образом, ученые одновременно измерили два основных свойства черной дыры: скорость ее вращения и силу гравитации на границе горизонта.

Для проверки результатов исследователи применили несколько методов анализа данных. Во всех случаях параметры обнаруженной прямой волны хорошо совпадали с теоретическими предсказаниями. Уровень достоверности сигнала оказался достаточно высоким, чтобы говорить о первом наблюдательном подтверждении существования такого эффекта.

Авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature, сравнили прямую волну с «последним звуком» двух черных дыр перед их окончательным исчезновением за горизонтом событий новообразованного «монстра». Если квазинормальные моды объясняют, как объект приходит в равновесие после слияния, то прямая волна позволяет заглянуть в процессы, происходящие у самой границы горизонта.

Открытие существенно расширяет возможности гравитационно-волновой астрономии. В будущем поиск подобных сигналов в новых событиях поможет проверить, как общая теория относительности работает в самых экстремальных условиях, а также получить уточненные сведения о природе черных дыр, пространства-времени и их горизонтов событий.