кольцевание чёрной дыры

Два микроскопических алмаза парят в глубоком вакууме, разделённые расстоянием, которое свет не успевает преодолеть за время эксперимента. Внутри каждого, как застывшая искра, живёт спутанный спин — квантовое состояние, связывающее их в единое целое.

Когда два массивных тела сливаются в одно, по ткани пространства-времени расходятся гравитационные волны — рябь, подобная кругам на воде от брошенного камня. После слияния чёрная дыра ещё некоторое время «звенит», испуская особые колебания — квазинормальные моды. Обычно этот звон быстро затухает, как эхо в пустом зале.

Камень падает в спокойную воду — по поверхности расходятся круги. Похоже ведёт себя чёрная дыра, когда в неё что-то падает или она сливается с другой. Дыра начинает колебаться, и эти колебания уходят в пространство гравитационными волнами. Астрофизики называют этот процесс «звоном» чёрной дыры.

Массивный алюминиевый цилиндр весом в тонну висит в вакууме. Сквозь него проходит гравитационная волна — рябь пространства-времени, — и брусок начинает едва заметно дрожать. Эту дрожь можно услышать как звук: гравитационная волна превращается в фонон — квант звуковых колебаний.

Спираль, по которой вода утекает в слив, закручивается всё быстрее ближе к центру. В обычной чёрной дыре эта воронка заканчивается бесконечно острой точкой — сингулярностью, где законы физики ломаются. Но в новой работе рассмотрели другую картину: воронка не сходится в иглу, а заканчивается гладким, раздувающимся пузырём.

Когда две чёрные дыры сливаются вдалеке, до нас доходит дрожь пространства — гравитационные волны. Обычно их описывают уравнениями Эйнштейна, но что, если на самых крошечных расстояниях гравитация работает иначе? Авторы работы взяли одну из таких гипотез — гравитацию Хоржавы-Лифшица.

Представьте раннюю Вселенную как невообразимых размеров колокол. Инфляция — эпоха стремительного расширения, придуманная Аланом Гутом, — ударяет в него, и по ткани пространства-времени расходится волна. Часть этой волны застывает в виде гравитационных вибраций, другая — превращается в невидимые частицы.

Детекторы гравитационных волн — как чуткие микрофоны, слушающие шёпот далёких катастроф. Но время от времени в них врывается резкий треск — короткая помеха, которую называют глитчем. Такой треск бывает похож на настоящий сигнал от слияния чёрных дыр, и тогда астрономы рискуют принять шум за открытие.

Слияние чёрных дыр — это не беззвучный удар. Родившаяся дыра дрожит и затухает, испуская гравитационные волны — рябь самого пространства. Этот сигнал называют «звоном» (ringdown), и он похож на затихающий звон колокола: у него есть основной тон и несколько обертонов.

В центре обычной чёрной дыры, по классическим представлениям, прячется сингулярность — точка бесконечной плотности, где законы физики перестают работать. Но некоторые теории, вдохновлённые идеей дуальности из теории струн, предлагают заменить точку на крошечную «размазанную» область.

Загадка тёмной материи мучает физиков почти век. Среди кандидатов на её роль — первичные чёрные дыры (ПЧД), возникшие в раскалённых объятиях первого мига после Большого взрыва.

Ранняя Вселенная напоминала переполненный зал, где тяжёлые частицы сталкивались и распадались в оглушительном темпе. Среди них могли быть скалярные лептокварки — частицы, которые одновременно цепляются за кварк (кирпичик материи) и лептон (например, электрон).

В первые мгновения после Большого взрыва материи и антиматерии было почти поровну. Но что-то нарушило равновесие — иначе всё аннигилировало бы в излучение, и мир остался бы пустым. Один из кандидатов на роль «нарушителя» — сверхтяжёлые правые нейтрино. Это частицы-близнецы обычных нейтрино, только массивнее в миллиарды раз.

Канатоходец кружит над пропастью по спирали, с каждым витком приближаясь к центру. Его траектория — не плавное скольжение, а серия резких рывков и замираний. Примерно так ведёт себя крошечная чёрная дыра, когда её затягивает к сверхмассивному соседу.

Гравитационные волны от крошечного тела, падающего на чёрную дыру, работают как рентгеновский снимок. Только просвечивают не кость, а само искривлённое пространство-время.

Два тяжёлых шара из тёмной пустоты летят навстречу друг другу и бьются точно в лоб. Это не бильярд — это столкновение двух равных чёрных дыр. Удар рождает дрожь самого пространства — гравитационные волны. Большая часть этой дрожи — низкий гул, который физики называют тормозным излучением.

Четырнадцатого мая 2019 года детекторы LIGO зарегистрировали гравитационный всплеск, который не вписывался в обычные рамки. Событие GW190521 предстало как столкновение двух чёрных дыр массами 85 и 66 солнц. Итоговая дыра в 142 солнечные массы угодила прямо в «запрещённый» диапазон — туда, где звёздные коллапсы почти не оставляют следов.

Камень летит в колодец — и через секунду доносится всплеск. Звезда падает в чёрную дыру — и пропадает за горизонтом, оставляя лишь дрожь пространства. Но что, если дно колодца не тупик, а проход? В привычной картине материя сжимается в точку бесконечной плотности — сингулярность. Здесь уравнения ломаются, как часы, угодившие в бетономешалку.

Два тяжёлых шара кружатся на поверхности пруда. От них расходятся круги — это гравитационные волны. Когда шары сближаются, волны уносят энергию, и круги становятся чаще. Астрономы ловят такую рябь от пар сверхмассивных чёрных дыр — они в миллиарды раз тяжелее Солнца и сидят в центрах далёких галактик. Но в пруду может быть не только вода.

Когда чёрные дыры сближаются и разлетаются — без слияния, лишь чиркнув гравитационными полями — они становятся идеальными снарядами для проверки законов гравитации. В экстремальных полях, где замедление времени достигает чудовищных величин, любая трещинка в теории засияет ослепительной вспышкой.

Колокол после удара гудит всё тише и тише. Его звон затухает плавно, как волны на воде после брошенного камня. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра после столкновения с другой дырой: она дрожит, и эти дрожания — гравитационные волны — улетают в пространство, постепенно слабея.

Кротовая нора — это гипотетический туннель в пространстве-времени, сокращающий путь между далёкими областями Вселенной. Представьте пузырь из мыльной плёнки, растянутый между двумя точками: чтобы его стенки не сомкнулись, нужна особая опора.

Представьте гул многолюдной площади — именно так звучит гравитационный фон Вселенной, уловленный сетью пульсаров — нейтронных звёзд, которые с точностью атомных часов испускают регулярные радиоимпульсы. В этом вселенском гаме скрыты «отпечатки» отдельных пар чёрных дыр, обращающихся друг вокруг друга.

Две чёрные дыры кружатся всё быстрее, сближаются и сливаются в одну. Пространство вокруг них дрожит — эта дрожь летит сквозь Вселенную миллиарды лет и наконец заставляет зеркала детекторов качнуться на долю атома. Учёные ловят этот сигнал и хотят понять, какие именно дыры его породили. Для этого нужны миллионы готовых образцов — как отпечатки пальцев для сравнения.

Химическая связь — как натянутая пружина между атомами. Когда её разрывают, осколки молекулы отлетают, но не замирают: они продолжают дрожать, как отпущенная струна. Именно эту дрожь удалось поймать группе исследователей, разорвавших молекулу метилиодида ультрафиолетовым лазером. Осколок — метильный радикал — начал вибрировать, словно зонтик, который то раскрывается, то складывается.

Сразу после рождения Вселенная не просто расширялась — она проходила стадию инфляции: экспоненциального раздувания с невообразимой скоростью. Эту концепцию предложил Алан Гут. Новые модели сравнивают процесс с накачиванием воздушного шарика рывками. Если между рывками поршень на миг зависает, шарик слегка сжимается и издаёт звонкий хлопок.

Когда две чёрные дыры сливаются, рождённая дыра звенит, как колокол, испуская гравитационные волны — рябь пространства-времени. Раньше детекторы улавливали лишь основной тон этого звона, но анализ события GW250114, проведённый коллаборацией LIGO–Virgo, выявил дополнительные слабые колебания — нелинейные обертоны.

Два чёрных гиганта кружатся и сталкиваются — по Вселенной расходится дрожь пространства. Эту дрожь ловят детекторы гравитационных волн. Но в сигнале может скрываться не только масса и расстояние: если законы физики чуть-чуть разные в разных направлениях, волна исказится.