GW250114

Гравитационно-волновой сигнал GW250114 был зарегистрирован 14 января 2025 года примерно в 08:22 по всемирному времени двумя детекторами американской обсерватории LIGO, расположенными в Ханфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана), которые на тот момент находились в рабочем режиме. В это время европейская обсерватория Virgo и японский детектор KAGRA наблюдения не вели^[1].

Этот сигнал оказался самым чётким за всю историю гравитационно-волновой астрономии^[4]. Благодаря объединению данных обоих детекторов LIGO исследователям удалось повысить отношение сигнала к шуму до значения 77—80. Это примерно вдвое превосходит предыдущий рекордный показатель (42 у события GW230814)^[1][7][5][8] и примерно 3—4 раза выше, чем у большинства других гравитационно-волновых сигналов, известных на тот момент. Благодаря этому событие GW250114 предоставляет уникальную возможность для точного измерения параметров этого источника гравитационных волн и проверки общей теории относительности^[3]. Снижение уровня шума у гравитационно-волновых детекторов ускоряет темпы обнаружения новых слияний чёрных дыр и позволяет фиксировать детальные данные, расширяющие знания об их фундаментальных свойствах^[9].

Анализ сигнала показал, что он был испущен при слиянии двух чёрных дыр с массами ${\displaystyle 33{,}6_{-0{,}8}^{+1{,}2}\;M_{\odot }}$ и ${\displaystyle 32{,}2_{-1{,}3}^{+0{,}8}\;M_{\odot }}$. Масса чёрной дыры, образовавшейся в результате слияния, составила ${\displaystyle 62{,}7_{-1{,}1}^{+1{,}0}\;M_{\odot }}$, а унесённая гравитационными волнами энергия эквивалентна массе ${\displaystyle 3{,}1\pm 2{,}2\;M_{\odot }c^{2}}$^[1][7]. Обе исходные чёрные дыры до слияния обладали небольшим моментом импульса — не более 0,36 от максимально возможного значения. После их слияния момент импульса образовавшейся чёрной дыры составил 0,68 ± 0,01 от максимального^[7].

Космологическое красное смещение источника равно ${\displaystyle z=0{,}09\pm 0{,}01}$, фотометрическое расстояние до него составляет, по разным оценкам, от ${\displaystyle 381_{-72}^{+77}}$ до ${\displaystyle 403_{-70}^{+74}}$ Мпк (около 1,2—1,3 млрд световых лет)^[7].

По мере стабилизации сформировавшаяся чёрная дыра испускает затухающие гравитационные волны — этот этап называется стадией «затухающего звона» (англ. ringdown). По частоте и скорости затухания двух зарегистрированных гармоник (обертонов) сигнала можно непосредственно измерить массу и момент импульса чёрной дыры. В то время как в намного более слабом сигнале GW150914, зарегистрированном в 2015 году, учёным не удалось выделить более одной гармоники на стадии затухающего звона, высокое отношение сигнала к шуму в случае GW250114 позволило надежно идентифицировать высшие обертоны^[1][7]. В частности, сигнал позволил впервые идентифицировать первый обертон решения Керра для вращающейся чёрной дыры (со статистической значимостью 4,1σ)^[10].

Предыдущие наблюдения слияний чёрных дыр, начиная с первого события 2015 года и далее^[11], согласовывались с гипотезой об отсутствии волос и теоремой Хокинга о площади горизонтов событий. Однако низкое отношение сигнал/шум (С/Ш) в тех событиях не позволяло сделать более точные выводы. Значительное повышение С/Ш на обсерватории LIGO дало возможность уверенно говорить о подтверждении этих теоретических предсказаний^[2].

Гипотеза об отсутствии волос

Подробнее

Гипотеза об отсутствии волос

Чёрные дыры в общей теории относительности полностью описываются всего тремя параметрами: массой, моментом импульса (спином) и электрическим зарядом. Массы чёрных дыр обычно измеряются в массах Солнца (M_⊙)^[12]. Спин чёрной дыры, или её безразмерный момент импульса, представляет собой отношение момента импульса чёрной дыры к максимально возможному значению моменту импульса, который может иметь чёрная дыра такой массы. Поэтому спин принимает значения от 0 до 1^[13], где 0 соответствует отсутствию вращения (чёрная дыра Шварцшильда), а 1 — максимально возможному моменту импульса для данной массы. Считается, что существующие в природе чёрные дыры электрически нейтральны, поэтому их заряд принимается равным 0^[14][15].

Если заряд и спин чёрной дыры равны нулю, она описывается метрикой Шварцшильда с единственным свободным параметром — массой. Если же равен нулю только заряд, чёрная дыра описывается метрикой Керра, которая зависит от двух параметров: массы и спина^[15][16]. Утверждение о том, что одиночная чёрная дыра в пустой Вселенной полностью определяется своей массой, спином и зарядом, известно как гипотеза об отсутствии волос (иногда её называют «теоремой об отсутствии волос», хотя в общем виде она ещё не доказана)^[17][18].

В отличие от чёрной дыры, гравитационное поле нейтронной звезды зависит от её внутреннего строения и от возможного наличия небольших «горок» (высотой в несколько сантиметров) на её поверхности, которые при вращении звезды излучали бы гравитационные волны (образуя «гравитационный пульсар»)^[19].

Отклонения от теоремы возможны, но только в экстремальных условиях, например, при столкновении и слиянии компонентов двойной чёрной дыры. Непосредственно перед столкновением и сразу после слияния геометрия пространства-времени весьма сложна, однако любые отклонения от сферической формы быстро исчезают, порождая гравитационные волны, и система переходит в состояние «лысой» чёрной дыры. Это положение известно как теорема Прайса^[20]. Возникающие при этом колебания чёрной дыры и компоненты испускаемых гравитационных волн можно описать основной модой и высшими обертонами с большей пространственной частотой (более короткой длиной волны) и меньшей амплитудой^[21][22].