14 сентября 2015 года на Землю поступил сигнал, несущий информацию о паре далёких чёрных дыр, которые сблизились по спирали и слились. Сигнал путешествовал около 1,3 миллиарда лет, чтобы достичь нас со скоростью света, но он состоял не из света. Это был сигнал другого рода: колебание пространства-времени, называемое гравитационными волнами, впервые предсказанное Альбертом Эйнштейном за 100 лет до этого. В тот день десять лет назад двойные детекторы Лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO) впервые непосредственно зарегистрировали гравитационные волны. Коллаборации LIGO и Virgo объявили об этом миру в феврале 2016 года после шести месяцев анализа и проверки.

Это историческое открытие означало, что исследователи теперь могут «ощущать» Вселенную тремя различными способами. Волны света, такие как рентгеновские, оптические, радиоволны и другие длины волн, а также высокоэнергетические частицы, называемые космическими лучами и нейтрино, улавливались и раньше, но впервые учёные стали свидетелями космического события через его гравитационное искажение пространства-времени. За это достижение, впервые задуманное более 40 лет назад, трое основателей LIGO получили Нобелевскую премию по физике 2017 года: Райнер Вайсс из MIT (профессор физики, emeritus, недавно скончавшийся в возрасте 92 лет), Барри Бариш из Caltech и Кип Торн из Caltech.

LIGO, состоящая из детекторов в Хэнфорде (Вашингтон) и Ливингстоне (Луизиана), детектор Virgo в Италии и KAGRA в Японии работают согласованно и в настоящее время регулярно наблюдают примерно одно слияние чёрных дыр каждые три дня. Вместе сеть охотников за гравитационными волнами, известная как LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), зафиксировала в общей сложности более 300 слияний чёрных дыр, большинство из которых уже подтверждены, а другие ожидают дальнейшего анализа. За время текущего научного сеанса работы сети, четвёртого с момента первого в 2015 году, LVK обнаружила около 230 кандидатов в слияния чёрных дыр, более чем вдвое увеличив количество, зафиксированное за первые три сеанса.

Резкий рост числа открытий LVK за последнее десятилетие обусловлен рядом усовершенствований их детекторов, некоторые из которых включают передовую квантовую прецизионную инженерию. Эти гравитационно-волновые интерферометры остаются безусловно самыми точными измерительными приборами, когда-либо созданными человеком. Искажения пространства-времени, вызываемые гравитационными волнами, невероятно малы. Чтобы их ощутить, LIGO и Virgo должны обнаруживать изменения в пространстве-времени меньше 1/10 000 ширины протона. Это в 700 триллионов раз меньше ширины человеческого волоса.

Самый чёткий сигнал на сегодняшний день

Улучшенная чувствительность инструментов ярко продемонстрирована недавним открытием слияния чёрных дыр, обозначенного как GW250114 (цифры обозначают дату прибытия гравитационно-волнового сигнала на Землю: 14 января 2025 года). Это событие не слишком отличалось от первого в истории обнаружения (названного GW150914) — в обоих событиях участвовали сталкивающиеся чёрные дыры, находящиеся на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от нас, с массами от 30 до 40 солнечных. Но благодаря 10 годам технологических усовершенствований, снизивших инструментальный шум, сигнал GW250114 был значительно чётче.

«Мы можем слышать его громко и чётко, и это позволяет нам проверять фундаментальные законы физики», — говорит Катерина Chatziioannou, участник команды LIGO, доцент физики в Caltech и учёный имени Уильяма Х. Хурта, один из ведущих авторов нового исследования GW250114, опубликованного в Physical Review Letters.

Проанализировав частоты гравитационных волн, излучённых при слиянии, команда LVK смогла предоставить лучшее на сегодняшний день наблюдательное подтверждение так называемой теоремы о площади горизонта событий чёрной дыры — идеи, выдвинутой Стивеном Хокингом в 1971 году, которая гласит, что общая площадь поверхности чёрных дыр не может уменьшаться. При слиянии чёрных дыр их массы объединяются, увеличивая площадь поверхности. Но они также теряют энергию в виде гравитационных волн во время этого явления. Кроме того, слияние может привести к увеличению вращения объединённой чёрной дыры, что ведёт к уменьшению её площади. Закон площадей для горизонтов событий чёрных дыр утверждает, что, несмотря на эти конкурирующие факторы, общая площадь поверхности должна увеличиваться.

Позже Хокинг и физик Джейкоб Бекенштейн пришли к выводу, что площадь горизонта событий чёрной дыры пропорциональна её энтропии, или степени беспорядка. Эти выводы проложили путь для последующих передовых работ в области квантовой гравитации, которая пытается объединить два столпа современной физики: общую теорию относительности и квантовую физику.

По сути, обнаружение (выполненное только LIGO, так как Virgo проходил плановое техническое обслуживание, а KAGRA был отключён во время этого конкретного наблюдения) позволило команде «услышать», как две чёрные дыры сливаются в одну, подтвердив теорему Хокинга. Исходные чёрные дыры имели общую площадь поверхности 240 000 квадратных километров (примерно размер Британии), в то время как конечная площадь составила около 400 000 квадратных километров (почти размер Швеции) — явное увеличение. Это второй тест теоремы о площади горизонта событий чёрной дыры; первоначальный тест был проведён в 2021 году с использованием данных от первого сигнала GW150914, но поскольку эти данные были не такими чистыми, результаты имели уровень достоверности 95% по сравнению с 99,999% для новых данных. Кип Торн вспоминает, как Хокинг позвонил ему спросить, сможет ли LIGO проверить его теорему сразу после того, как узнал о регистрации гравитационных волн в 2015 году. Хокинг умер в 2018 году и, к сожалению, не дожил до того, чтобы увидеть, как его теорию подтверждают наблюдения. «Если бы Хокинг был жив, он бы восхищался, видя, как площадь объединённой чёрной дыры увеличивается», — говорит Торн.

Самая сложная часть этого типа анализа была связана с определением конечной площади поверхности чёрной дыры, появившейся в результате слияния. Площади поверхностей горизонтов событий чёрных дыр до слияния можно более легко определить, когда пара вращается по спирали, взволновывая пространство-время и производя гравитационные волны. Но после слияния чёрных дыр сигнал не так однозначен. В течение этой так называемой фазы затухания конечная чёрная дыра вибрирует, как колокол после удара. В новом исследовании учёные смогли точно измерить детали фазы затухания, что позволило им вычислить массу и спин чёрной дыры и, соответственно, определить площадь её поверхности. Точнее, они впервые смогли уверенно выделить два различных моды гравитационных волн в фазе затухания. Моды подобны характерным звукам, которые издаёт колокол при ударе; они имеют несколько схожие частоты, но затухают с разной скоростью, что затрудняет их идентификацию. Улучшенные данные по GW250114 означали, что команда смогла извлечь моды, продемонстрировав, что затухание чёрной дыры произошло именно так, как предсказывают математические модели. Другое исследование LVK, представленное сегодня в Physical Review Letters, устанавливает ограничения на предсказанный третий, более высокий тон в сигнале GW250114 и проводит одни из самых строгих на сегодняшний день проверок точности общей теории относительности в описании сливающихся чёрных дыр.

«Анализ данных о деформации от детекторов для обнаружения транзиентных астрофизических сигналов, рассылка оповещений для запуска последующих наблюдений с телескопов или публикация физических результатов, собирая информацию от сотен событий, — это довольно долгий путь, — добавляет Никола Арно, исследователь CNRS во Франции и координатор Virgo четвёртого научного сеанса. — Создание такой сложной структуры требует множества квалифицированных шагов. Я вижу людей, стоящих за всеми этими данными, в частности тех, кто находится на дежурстве в любое время, наблюдая за нашими инструментами. У LVK есть учёные во всех регионах, преследующие общую цель: буквально, солнце никогда не заходит над нашими коллаборациями!»

Расширение границ

LIGO и Virgo также раскрыли множество секретов нейтронных звёзд за последнее десятилетие. Как и чёрные дыры, нейтронные звёзды образуются при взрывной гибели массивных звёзд, но они весят меньше и излучают свет. Примечательно, что в августе 2017 года LIGO и Virgo стали свидетелями эпического столкновения пары нейтронных звёзд — килоновой — которая разбросала золото и другие тяжёлые элементы по космосу и привлекла внимание десятков телескопов по всему миру, которые уловили свет в диапазоне от высокоэнергетических гамма-лучей до низкоэнергетических радиоволн. Впервые в «многоканальной» астрономии были зафиксированы и свет, и гравитационные волны от одного космического события. Сегодня LVK продолжает оповещать астрономическое сообщество о потенциальных столкновениях нейтронных звёзд, которые затем используют телескопы для поиска в небе признаков другой килоновой.

«Глобальная сеть LVK необходима для гравитационно-волновой астрономии, — говорит Джанлука Джемме, представитель Virgo и директор по исследованиям в INFN (Национальный институт ядерной физики, Италия). — Когда три или более детектора работают в унисон, мы можем точнее определять местоположение космических событий, извлекать более богатую астрофизическую информацию и обеспечивать быстрое оповещение для последующих многоканальных наблюдений. Virgo гордится тем, что вносит вклад в это всемирное научное начинание».

Другие научные открытия LVK включают первое обнаружение столкновений между одной нейтронной звездой и одной чёрной дырой; асимметричные слияния, в которых одна чёрная дыра значительно массивнее своей звезды-партнёра; открытие самых лёгких из известных чёрных дыр, ставящее под сомнение идею о существовании «разрыва масс» между нейтронными звёздами и чёрными дырами; и самое массивное из наблюдавшихся слияний чёрных дыр с общей массой в 225 солнечных масс. Для сравнения, предыдущий рекордсмен по массивности слияния имел общую массу в 140 солнечных масс.

В ближайшие годы учёные LVK надеются и далее совершенствовать свои машины, углубляя своё проникновение в космос. Они также планируют использовать полученные знания для создания ещё одного детектора гравитационных волн, LIGO-Индия. Заглядывая дальше в будущее, учёные работают над концепцией ещё более крупных детекторов. Европейский проект, называемый Телескоп Эйнштейна, планирует построить один или два огромных подземных интерферометра с плечами длиной более 10 километров. Американский проект, Cosmic Explorer, будет похож на нынешний LIGO, но с плечами длиной 40 километров. Обсерватории такого масштаба позволят учёным услышать самые ранние слияния чёрных дыр во Вселенной и, возможно, отголоски гравитационных колебаний самых первых моментов существования нашей Вселенной.

«Это удивительное время для исследований гравитационных волн: благодаря таким инструментам, как Virgo, LIGO и KAGRA, мы можем исследовать тёмную Вселенную, которая ранее была полностью недоступна. — сказал Массимо Карпинелли, профессор Университета Милано-Бикокка и директор Европейской гравитационной обсерватории в Кашине. — Научные достижения этих 10 лет вызывают настоящую революцию в нашем взгляде на Вселенную. Мы уже готовим новое поколение детекторов, таких как Телескоп Эйнштейна в Европе и Cosmic Explorer в США, а также космический интерферометр LISA, который перенесёт нас ещё дальше в космос и назад во времени. В ближайшие годы мы, несомненно, сможем решить эти сложнейшие задачи благодаря всё более широкому и прочному сотрудничеству между учёными, разными странами и учреждениями, как на европейском, так и на глобальном уровне».