Учёные впервые уловили сигнал с горизонта событий чёрной дыры

Физики-теоретики предсказывали её существование десятилетиями, но поймать не могли: волна, несущая информацию непосредственно о горизонте событий чёрной дыры. Теперь это удалось впервые — и помог самый мощный гравитационный сигнал, когда-либо зафиксированный на Земле. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Граница, за которой ничего не видно

Горизонт событий — не сама чёрная дыра, а граница вокруг неё. За этой чертой гравитация настолько сильна, что не может вырваться ничто — ни вещество, ни свет. Именно поэтому горизонт событий никогда нельзя наблюдать напрямую: он не испускает, не отражает и не рассеивает свет. Всё, что мы знали о нём прежде, получено лишь косвенно — из наблюдений за тем, как чёрная дыра влияет на окружающее пространство.

Гравитационные волны предоставили физикам иной способ изучения. Когда две чёрные дыры сближаются и сливаются, они порождают рябь в самой ткани пространства-времени. Эта рябь достигает Земли в виде гравитационных волн, которые регистрируют детекторы LIGO и Virgo — растягивая и сжимая пространство на величину, в миллиарды раз меньше диаметра атомного ядра.

Прямая волна — новый инструмент

Стандартный гравитационный сигнал от слияния чёрных дыр содержит фазу инспиральной части — сближение двух объектов, — а затем так называемый рингдаун: новообразованная чёрная дыра «звенит» как колокол. Частоты этого «звона», называемые квазинормальными модами, зависят от массы и вращения чёрной дыры и позволяют измерять её свойства. Но они связаны прежде всего с фотонной сферой снаружи горизонта, а не с самим горизонтом.

Теория предсказывала существование ещё одного компонента — прямой волны (direct wave). Она возникает в момент, когда орбитальная динамика переключается с двух объектов на единую чёрную дыру: экстремальная гравитация «затягивает» пространство-время во вращение, сигналы затухают с огромной скоростью, и из этой зоны вырывается лишь один импульс — осциллирующий почти вдвое быстрее частоты вращения самого горизонта.

«По мере приближения к горизонту вращающейся чёрной дыры всё начинает двигаться с огромной скоростью. Но одновременно сигнал, который это что-то посылает к нам, очень быстро слабеет из-за мощнейшей гравитации. Поэтому мы наблюдаем финальный, стремительный, быстро затухающий вихрь вблизи горизонта», — объяснил теоретик Сыжэн Ма из Института теоретической физики Периметр (Канада).

Сигнал нашли благодаря рекордной гравитационной волне

Уловить прямую волну в обычных гравитационных событиях — задача за пределами возможного: сигналы слишком слабы. Но в начале 2025 года детекторы LIGO зафиксировали событие GW250114 — самый громкий гравитационный сигнал из когда-либо зарегистрированных. Именно на нём Ма и его коллеги решили искать теоретически предсказанный след горизонта событий.

Работа с данными потребовала большой осторожности:

• Гравитационные данные содержат множество шумов и артефактов
• Риск ложного срабатывания был высок
• Предварительные результаты проверялись несколькими независимыми методами
• Данные вели себя именно так, как предсказывала теория

«Наша первоначальная реакция была смешанной. Но после предварительных проверок данные вели себя замечательно — в точности так, как предсказывала теория. Тогда настроение изменилось: от «это может быть интересно» к «о, это, похоже, по-настоящему реально»», — вспоминает Ма.

Что это меняет в физике

Если открытие подтвердится на других гравитационных событиях, прямая волна станет принципиально новым инструментом изучения чёрных дыр:

• Скорость вращения горизонта событий станет измеримой напрямую
• Можно будет наблюдать, как быстро гравитация «гасит» информацию вблизи горизонта
• Откроются возможности для более жёсткой проверки общей теории относительности Эйнштейна
• Физики смогут исследовать квантовые эффекты вблизи горизонта — область, где общая теория относительности и квантовая механика ещё не объединены

Читайте также по теме: новых наблюдениях чёрных дыр.

«Для нас чёрные дыры всегда были объектами, которые мы могли понять лишь косвенно — через их воздействие на окружающее. Гравитационные волны меняют это. Мы можем слушать финальные мгновения слияния и искать сигналы из области, вплотную прилегающей к горизонту», — подытожил Ма. Подтверждение открытия потребует анализа новых гравитационных событий с помощью более чувствительных детекторов следующего поколения.