|
Гравитационные волны изменили астрономию
|
|
|
|
Десять лет назад ученые впервые услышали грохот Вселенной. Это первое открытие гравитационных волн подтвердило ключевое предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна и положило начало новой эре астрономии.
|
|
|
|
Новое открытие гравитационных волн приурочено к годовщине этого крупного прорыва. Опубликованная сегодня в журнале Physical Review Letters статья подвергает проверке теорию другого гиганта науки, Стивена Хокинга.
|
|
|
|
Что такое гравитационные волны?
|
|
|
|
Гравитационные волны - это "рябь" в ткани пространства-времени, распространяющаяся со скоростью света. Они возникают из-за сильно ускоренных массивных объектов, таких как сталкивающиеся черные дыры или слияние остатков массивных звезд, известных как нейтронные звезды.
|
|
|
|
Эти волны, распространяющиеся по Вселенной, были впервые непосредственно зафиксированы 14 сентября 2015 года с помощью двух детекторов гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром (LIGO) в Соединенных Штатах.
|
|
|
|
Этот первый сигнал, получивший название GW150914, возник в результате столкновения двух черных дыр, масса каждой из которых более чем в 30 раз превышает массу Солнца и находится на расстоянии более миллиарда световых лет от Земли.
|
|
|
|
|
|
|
Это было первое прямое доказательство существования гравитационных волн, в точности такое, как предсказывала теория относительности Эйнштейна 100 годами ранее. Это открытие привело к присуждению Нобелевской премии по физике за 2017 год Райнеру Вайсу, Барри Бэришу и Кипу Торну за их новаторскую работу в сотрудничестве с LIGO.
|
|
Сотни сигналов менее чем за десятилетие.
|
|
|
|
С 2015 года LIGO совместно с итальянскими детекторами Virgo и японскими KAGRA наблюдали более 300 гравитационных волн.
|
|
|
|
Всего несколько недель назад международная коллаборация LIGO/Virgo/KAGRA опубликовала последние результаты своих четвертых наблюдений, которые более чем удвоили количество известных гравитационных волн.
|
|
|
|
Теперь, спустя десять лет после первого открытия, международное сотрудничество, включающее австралийских ученых из Центра передового опыта в области изучения гравитационных волн Австралийского исследовательского совета (OzGrav), объявило о новом гравитационно-волновом сигнале GW250114.
|
|
|
|
Сигнал является почти точной копией самого первого гравитационно-волнового сигнала GW150914.
|
|
|
|
Столкновение с черной дырой, из-за которого образовалась GW250114, имело очень схожие физические свойства с GW150914. Однако, благодаря значительным усовершенствованиям детекторов гравитационных волн за последние десять лет, новый сигнал виден гораздо четче (почти в четыре раза "громче", чем GW150914).
|
|
|
|
Удивительно, но это позволило нам проверить идеи другого физика-новатора.
|
|
|
|
Хокинг тоже был прав
|
|
|
|
Более 50 лет назад физики Стивен Хокинг и Джейкоб Бекенштейн независимо друг от друга сформулировали набор законов, описывающих черные дыры.
|
|
|
|
Второй закон механики черных дыр, также известный как теорема Хокинга о площади, гласит, что площадь горизонта событий черной дыры всегда должна увеличиваться. Другими словами, черные дыры не могут сжиматься.
|
|
|
|
Тем временем Бекенштейн показал, что площадь черной дыры напрямую связана с ее энтропией, которая является научной мерой беспорядка. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия должна постоянно увеличиваться: Вселенная становится все более беспорядочной. Поскольку энтропия черной дыры также должна увеличиваться со временем, это говорит нам о том, что ее площадь также должна увеличиваться.
|
|
|
|
Как мы можем проверить эти идеи? Сталкивающиеся черные дыры, оказывается, являются идеальным инструментом.
|
|
|
|
Точность этого недавнего измерения позволила ученым провести самую точную на сегодняшний день проверку теоремы Хокинга о площади.
|
|
|
|
Предыдущие тесты с использованием первого детектора, GW150914, показали, что сигнал хорошо согласуется с законом Хокинга, но не смогли подтвердить это окончательно.
|
|
|
|
Черные дыры - удивительно простые объекты. Площадь горизонта черной дыры зависит от ее массы и спина - единственных параметров, необходимых для описания астрофизической черной дыры. В свою очередь, массы и спины определяют, как выглядит гравитационная волна.
|
|
|
|
Отдельно измерив массы и спины приближающейся пары черных дыр и сравнив их с массой и спином последней черной дыры, оставшейся после столкновения, ученые смогли сравнить площади двух отдельных столкнувшихся черных дыр с площадью последней черной дыры.
|
|
|
|
Полученные данные отлично согласуются с теоретическим прогнозом о том, что площадь должна увеличиться, что, без сомнения, подтверждает закон Хокинга.
|
|
|
|
Какого гиганта науки мы испытаем следующим? Будущие наблюдения гравитационных волн позволят нам проверить более экзотические научные теории и, возможно, даже исследовать природу недостающих компонентов Вселенной — темной материи и темной энергии.
|
|
|
|
Источник
|
