Область у горизонта событий впервые изучили по сигналам гравитационных волн

Ученые нашли способ «увидеть» свойства горизонта событий черной дыры — области, из которой не может вырваться даже свет. Анализ гравитационных волн от недавнего сигнала слияния космических «монстров» помог выявить признаки, напрямую связанные с этой границей. Открытие может стать новым инструментом для изучения самых экстремальных объектов во Вселенной.

Горизонт событий черной дыры — это своеобразная точка невозврата: все, что его пересекает, навсегда скрывается от внешнего наблюдателя. Ученые тем не менее научились получать информацию о черных дырах по окружающему их веществу, релятивистским джетам, рентгеновскому излучению аккреционных дисков и даже по «тени» сверхмассивных черных дыр, сфотографированных Телескопом горизонта событий (Event Horizon Telescope). Вот только такие наблюдения позволяют изучать окрестности горизонта, а не напрямую его свойства.

Все изменилось с появлением гравитационно-волновых обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA. Когда две черные дыры сталкиваются и сливаются, они создают гравитационные волны — колебания пространства-времени, возникающие при движении или столкновении массивных объектов и распространяющиеся со скоростью света. После слияния от новорожденной черной дыры какое-то время исходит «звон».

Такие колебания называют квазинормальными модами. Они позволяют определять массу и скорость вращения объекта. Правда, предыдущие исследования показали, что такие сигналы больше связаны с областью вокруг черной дыры, чем с самим горизонтом событий.

Теперь исследователи сосредоточились на другом компоненте сигнала, недавно предсказанном теоретиками. Речь идет о «прямой волне» — особом излучении, которое возникает в момент перехода от орбитального движения двух черных дыр к формированию единого объекта. Характеристики этой волны, по расчетам, должны напрямую зависеть от свойств горизонта событий.

Проанализировав событие GW250114, ученые выявили признаки этого сигнала. Выяснилось, что волна колеблется с частотой, близкой к удвоенной скорости вращения горизонта событий. Это связано с тем, что вращающаяся черная дыра буквально «увлекает» за собой пространство-время, заставляя его закручиваться вокруг себя.

Более того, сигнал постепенно затухал с темпом, который зависит от поверхностной гравитации горизонта событий. По сути, ученые одновременно «измерили» два основных свойства черной дыры — скорость ее вращения и силу гравитации на границе горизонта событий.

Чтобы проверить результаты, исследователи применили несколько методов анализа данных. Во всех случаях параметры обнаруженной прямой волны хорошо совпадали с теоретическими предсказаниями. Уровень достоверности сигнала при этом был достаточно высоким, чтобы говорить о первом наблюдательном подтверждении существования такого эффекта.

Авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature, сравнили прямую волну с «последним звуком» двух черных дыр перед их окончательным исчезновением за горизонтом событий новообразованного космического «монстра». Поясним: квазинормальные моды объясняют, как объект приходит в равновесие после слияния, а прямая волна позволяет заглянуть в процессы, что происходят у самой границы горизонта. 

Открытие существенно расширяет возможности гравитационно-волновой астрономии. В будущем поиск подобных сигналов в новых событиях поможет проверить, как Общая теория относительности работает в самых экстремальных условиях, а также получить уточненные сведения о природе черных дыр, пространства-времени и их горизонтов событий.