Ще в 2017 році гравітаційна хвиля задзвонила по всій Землі, як чіткий тон дзвона. Він розтягував і пришпилював кожну людину, мурашник та науковий інструмент на планеті, коли він проходив через наш космос. Тепер дослідники повернулися назад і вивчили цю хвилю, і знайшли в ній приховані дані - дані, які допомагають підтвердити десятилітню ідею астрофізики.
Та хвиля 2017 року була великою справою: вперше астрономи мали інструмент, який міг виявити та записати її під час проходження, відомий як Лазерний інтерферометр Гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO). Ця перша хвиля була результатом, як вони виявили, двох чорних дір, що врізалися разом у космос. А тепер команда астрофізиків ще раз подивилася на запис і виявила щось, на що, на думку інших, знадобиться десятиліття, щоб розкрити: точне підтвердження «теореми про відсутність волосся». Цей істотний аспект теорії чорної діри бере початок щонайменше до 1970-х - теорема, в якій Стівен Хокінг сумнівно сумнівався.
Коли фізики кажуть, що чорні діри не мають "волосся", - сказав Максиміліано Ісі, фізик MIT і головний автор статті, вони означають, що астрофізичні об'єкти дуже прості. Чорні діри відрізняються одна від одної трьома способами: швидкістю віджиму, масою та електричним зарядом. А в реальному житті чорні діри, ймовірно, не сильно відрізняються електричним зарядом, тому вони насправді відрізняються лише за масою і віджимом. Фізики називають ці лисині об’єкти «чорними дірами Керра».
Ця безликість робить чорні діри дуже різними, ніж майже будь-який інший предмет у Всесвіті, сказав Ісі Live Science. Наприклад, коли дзвонить справжній дзвіночок, він випромінює звукові хвилі та деякі невизначні, неймовірно слабкі гравітаційні хвилі. Але це набагато складніший об’єкт. Дзвіночок виготовляється з матеріалу, наприклад (може бути бронза або чавун), тоді як згідно з моделлю без волосся чорні діри - це однакові особливості. Кожен дзвіночок також має дещо унікальну форму, тоді як чорні діри - це нескінченно малі, безрозмірні точки в просторі, оточені сферичними горизонтами подій. Усі ці особливості дзвоника можна виявити за звуком, який видає дзвін - принаймні, якщо ви щось знаєте про дзвони та звукові хвилі. Якби ви могли якось відчути гравітаційні хвилі дзвоника, ви б також виявили ці відмінності у складі та формі дзвона, - сказав Ісі.
"Секрет усього цього бізнесу полягає в тому, що форма хвилі - закономірність цього розтягування і стискання - кодує інформацію про джерело, те, що зробило цю гравітаційну хвилю", - сказав він Live Live.
І астрономи, що вивчають хвилю 2017 року, дізналися багато про зіткнення чорної діри, яке породило її, сказав Ісі.
Але запис був слабким, і не дуже детальним. LIGO, найкращий гравітаційний детектор хвиль у світі, використовував лазер для вимірювання відстаней між дзеркалами, розташованими на відстані 2,5 милі (4 кілометри) один від одного за L-схемою у штаті Вашингтон. (Діва, подібний детектор, також підняла хвилю в Італії.) Коли хвиля котилася над LIGO, вона сама викривляла простір-час і колись так незначно змінювала цю відстань. Але деталі цієї гравіаційної хвилі були недостатньо інтенсивними, щоб детектори могли записати, сказав Ісі.
"Але це все одно, що ми слухаємо здалеку", - сказала Ісі.
У той час ця хвиля запропонувала багато інформації. Чорна діра поводилася так, як очікувалося. Не було очевидних доказів того, що йому не вистачає горизонту подій (область, поза якою не може вийти світло), і це різко не відхиляється від теореми про відсутність волосся, сказав Ісі.
Але дослідники не могли бути дуже впевнені у багатьох цих пунктах, особливо теоремі про відсутність волосся. Найпростіша частина сигналу для вивчення, сказала Ісі, з'явилася після того, як дві чорні діри злилися в одну більшу чорну діру. Він деякий час дзвонив, дуже схожий на ударений дзвін, надсилаючи свою надлишкову енергію в космос як гравітаційні хвилі - те, що астрофізики називають процесом "збиття".
У той час дослідники, що переглядали дані LIGO, помітили лише одну форму хвилі у виклику. Дослідники думали, що знадобиться десятиліття, щоб розробити інструменти, досить чутливі для того, щоб підібрати будь-який тихий обертон під час виступу. Але один із колег Ісі, Метт Гіслер, фізик з Каліфорнійського технологічного інституту, зрозумів, що після зіткнення був короткий період, коли обстріл був досить інтенсивним, що LIGO записав більше деталей, ніж зазвичай. І в ті моменти хвиля була досить голосною, що LIGO підхопив обертон - другу хвилю з різною частотою, дуже схожий на слабкі вторинні ноти, які проносяться під звук удару дзвоника.
У музичних інструментах обертони несуть більшу частину інформації, яка надає інструментам їх виразні звуки. Те саме стосується обертонів гравітаційної хвилі, сказав він. І цей нещодавно розкритий обертон значно роз'яснив дані про дзвінку чорної діри, сказав Ісі.
Він показав, за його словами, що чорна діра була принаймні дуже близькою до чорної діри Керра. Теорема про відсутність волосся може бути використана для прогнозування того, як буде виглядати обертон; Ісі та його команда показали, що обертони майже збігаються з цим прогнозом. Однак запис обертону був не дуже чітким, тому все одно можливо, що тон був дещо іншим - приблизно на 10% - від того, що передбачає теорема ...
Для того, щоб вийти за межі цього рівня точності, за його словами, вам потрібно буде витягнути більш чіткий обертон із сигналу зіткнення чорної діри або створити більш чутливий інструмент, ніж LIGO, сказав Ісі.
"Фізика - це все ближче і ближче", - сказав Ісі. "Але ти ніколи не можеш бути впевнений".
Можливо навіть, що сигнал від обертону не є реальним, але виникає випадково через випадкові коливання даних. Вони повідомили про «впевненість 3.6σ» у існуванні обертону. Це означає, що існує приблизно 1-в-6300 ймовірність, що підтекст не є справжнім сигналом із чорної діри.
У міру вдосконалення інструментів і виявлення гравітаційних хвиль усі ці числа повинні стати більш впевненими і точними, сказав Ісі. LIGO вже пройшов модернізацію, яка зробила виявлення зіткнень з чорними дірами досить звичайними. Ще одне оновлення, заплановане на середину 2020 року, повинно в десятки разів підвищити його чутливість, повідомляє Physics World. Після запуску космічної антени космічної лазерної інтерферометри (LISA) в середині 2030-х років, астрономи повинні мати можливість підтвердити безволосисть чорних дір до ступеня визначеності, що сьогодні неможливо.
Однак, сказав Ісі, завжди можливо, що чорні діри не є повністю лисими - у них може бути якийсь квантовий пуансик персика, який дуже простий і короткий, щоб наші інструменти підхопили.
