Сверхчистый сигнал гравитационных волн подтвердил правоту Эйнштейна и Хокинга

Слияние двух чёрных дыр GW250114 дало самые точные на сегодня проверки общей теории относительности и теоремы Хокинга о том, что горизонты событий могут только расти, пишет Physical Review Letters.

В 2025 году астрономы зафиксировали гравитационную волну GW250114 — самый отчётливый сигнал от слияния чёрных дыр за всё десятилетие работы детекторов LIGO и Virgo. Благодаря рекордному отношению сигнал/шум этот всплеск стал уникальным инструментом для проверки предсказаний общей теории относительности Эйнштейна с беспрецедентной точностью.

GW250114 возник при столкновении двух чёрных дыр на расстоянии более миллиарда световых лет от Земли. К моменту этого события инфраструктура LIGO в США и европейского детектора Virgo в Италии прошла серьёзную модернизацию: чувствительность интерферометров за десять лет выросла примерно в четыре раза по сравнению с эпохой первого сигнала GW150914, обнаруженного в 2015 году. Это позволило не только «услышать» само слияние, но и детально рассмотреть завершающую стадию — так называемый звенящий «отклик» сформировавшейся чёрной дыры.

Первым делом учёные проверили теорему Стивена Хокинга об области горизонта: суммарная площадь горизонтов событий двух исходных чёрных дыр не должна уменьшаться при слиянии. По данным GW250114 площадь горизонта выросла — как и предсказывал Хокинг, причём с очень высокой статистической значимостью, став самым убедительным подтверждением этой теоремы на основе наблюдений гравитационных волн.

Следующий шаг — тест общей теории относительности в режиме экстремальной гравитации. Команда под руководством Ки́фа Митмана из Корнельского университета смоделировала, как именно должны вести себя две чёрные дыры при слиянии по уравнениям Эйнштейна: спиральное сближение, столкновение, затем «звоновый» этап, когда новая чёрная дыра вибрирует на нескольких частотах, постепенно затухая. Эти колебания — моды затухания, или «тоны» — раньше удавалось уловить лишь частично, но мощь GW250114 позволила уверенно выделить сразу два доминирующих тона и установить ограничения на третий.

Когда исследователи сопоставили предсказанные амплитуды и частоты с реальными измерениями, они обнаружили практически идеальное совпадение. По словам Митмана, данные полностью согласуются с численной относительностью — высокоточной компьютерной реализацией уравнений Эйнштейна для динамики чёрных дыр, — а его коллега Лаура Натталл отмечает, что GW250114 ещё раз подтвердил подход Эйнштейна к описанию гравитации.

Однако даже столь чистый сигнал не закрывает вопрос окончательно. Погрешности всё ещё допускают небольшие отклонения от общей теории относительности — на уровне менее 10%, — и только дальнейшее повышение чувствительности детекторов позволит либо обнаружить тонкие следы новой физики, либо ещё сильнее «зажать» рамки, в которых теория Эйнштейна остаётся безупречной.

Справка:

• Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, возникающая при катастрофических космических событиях вроде слияния чёрных дыр.
• LIGO и Virgo — гигантские лазерные интерферометры, способные измерять растяжения пространства меньше диаметра протона, что и делает возможной регистрацию таких волн.
• Теорема Хокинга об области горизонта утверждает, что суммарная площадь горизонтов чёрных дыр не может уменьшаться со временем, что по сути делает её гравитационным аналогом второго закона термодинамики.
• Общая теория относительности Эйнштейна уже более ста лет успешно описывает гравитацию, но именно экстремальные события вроде GW250114 позволяют проверить её на предельных режимах, где чаще всего и «выплывает» новая физика.