Астрофизики не обнаружили «волос» на черных дырах

Согласно теории гравитации Эйнштейна, у чёрных дыр есть лишь несколько отличительных характеристик. Квантовая теория предполагает, что их может быть больше. Экспериментальные исследования показывают, что любые эти дополнительные «волосы» должны быть довольно короткими. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, поведение чёрной дыры зависит от двух параметров: её массы и скорости вращения. Вот и всё. Говорят, что у чёрных дыр «нет волос» — никаких особенностей, отличающих их от других тел с такой же массой и скоростью вращения.

С появлением новых данных появилась возможность проверить эту гипотезу об отсутствии волос. За последние 10 лет астрономы обнаружили сотни сигналов от сталкивающихся черных дыр. В ходе этих драматических событий две невидимые, неизбежные ямы в ткани пространства-времени вращаются вокруг друг друга все быстрее и быстрее, а затем сливаются в одну массивную черную дыру, которая колышется, как желе, по мере того как она успокаивается после столкновения. Слияние и колыхание порождают рябь, называемую гравитационными волнами, которая каскадом распространяется по ткани Вселенной и попадает на детекторы здесь, на Земле. Если общая теория относительности верна, то эти колыхания имеют шаблонную форму, зависящую только от массы и спина каждой дыры. (Теоретически существует третье определяющее свойство: электрический заряд. Но реальные, астрофизические черные дыры имеют пренебрежимо малый суммарный заряд.) Если теория неверна, астрономы могут наблюдать нечто новое — тонкие различия, которые раскрывают уникальную историю и состав каждой черной дыры.

«С течением лет и накоплением событий мы поняли, что можем получить более сильные и надежные тесты теории [общей теории относительности] — или альтернативы», — сказал Витор Кардозо, физик из Института Нильса Бора в Копенгагене.

Кардозо и десятки других астрономов, занимающихся гравитационными волнами, недавно подвели итоги этих испытаний. Их отчёт, опубликованный в конце мая, охватывает различные методы и результаты, включая анализ сигналов гравитационных волн, проведённый Кардозо и его коллегами прошлой осенью. Объединив данные о множественных столкновениях чёрных дыр, группа обнаружила, что они максимально согласуются с теорией Эйнштейна. Любое отклонение от предсказываемой общей теорией относительности формы пространства-времени вокруг чёрной дыры — любой «волос» — должно находиться ближе к чёрной дыре, чем в 40 километрах.

Итак, пока никаких волос не обнаружено. Но теоретики продолжают обдумывать множество возможностей, и пробелы в теории Эйнштейна указывают на то, что тонкие квантовые «волосы» должны существовать, даже если их обнаружить крайне сложно или практически невозможно. 

Чего не предсказал Эйнштейн

Вопрос о волосатых черных дырах тесно связан с величайшей загадкой современной физики: как можно объединить общую теорию относительности с квантовой теорией?

Рассмотрим ситуацию, когда объект пересекает точку невозврата чёрной дыры, называемую горизонтом событий. Согласно общей теории относительности, сторонний наблюдатель увидит лишь вклад поглощённого объекта в два параметра, описывающих чёрную дыру: массу, добавляемую объектом, и насколько быстрее или медленнее он заставляет чёрную дыру вращаться.

Однако исчезновение всей остальной информации о поглощённом объекте противоречит одному из основных принципов квантовой механики. Квантовая теория требует сохранения всей информации и того, чтобы она оставалась теоретически доступной — в противном случае сумма квантовых вероятностей не достигала бы 100%, как это и должно быть. Физики-теоретики давно интересуются этим конфликтом между предсказаниями общей теории относительности и квантовой механики, известным как информационный парадокс.

В 2012 году физики показали, что этот парадокс тесно связан с природой горизонта событий. С 1970-х годов им было известно, что чёрные дыры испускают излучение, и что это излучение, вероятно, каким-то образом переносит зашифрованную информацию о веществе, упавшем в дыру. Теперь они представили, что произойдёт, если астронавт, собирающийся пересечь горизонт древней чёрной дыры, пообщается с кем-то далёким — наблюдателем, собравшим излучение, испускаемое чёрной дырой за её жизнь. Результат мысленного эксперимента оказался озадачивающим: астронавт и далёкий наблюдатель получат две копии одной и той же информации, одну, полученную за долгую жизнь чёрной дыры, а другую — из близкого окружения. Дополнительная копия представляет собой проблему, снова нарушая тщательный учёт вероятностей, на котором основана квантовая механика. Некоторые физики пришли к выводу, что за горизонтом должно произойти что-то странное, чтобы нарушить сбор информации астронавтом. 

Короткие волосы, Длинные волосы

Попытки разрешить информационный парадокс обычно добавляют дополнительные детали за горизонтом событий, называемые квантовыми волосами. Исследователи, придумавшие мысленный эксперимент с астронавтами в 2012 году, предположили, что оболочка из частиц чрезвычайно высокой энергии, называемая файрволом, может находиться сразу за горизонтом, разрывая связь между двумя наблюдателями. Физик Самир Матур, в свою очередь, утверждает, что у чёрных дыр вообще нет горизонта. Вместо этого он говорит, что они представляют собой «пушистые комки» — каждый из которых представляет собой квантовую комбинацию, или суперпозицию, множества различных конфигураций пространства-времени, что делает края чёрной дыры размытыми.

Другие идеи включают «гравастары», которые напоминают черные дыры, но окружены оболочками из экзотической материи, и так называемые обычные черные дыры — переосмысленные версии объектов, в которых отсутствуют бесконечно плотные точки в центрах, известные как сингулярности.

Все эти предложения вводят новые эффекты за пределами горизонта, которые должны изменить то, как вибрирующая черная дыра испускает гравитационные волны.

Предполагаемые эффекты, как правило, проявляются очень близко к горизонту, возможно, всего лишь в пределах 10−33 сантиметра — так называемой планковской длины. Такие коротко остриженные квантовые волосы не будут напрямую наблюдаться как изменение сигналов от столкновений чёрных дыр, но могут быть видны другими способами. Например, необычные эффекты, называемые эхом, возникающие при отражении гравитационных волн от огненной стены или другой структуры вблизи горизонта, могут появляться после первоначального сигнала.

Поиски эха пока не увенчались успехом. Однако эти неудачные попытки не исключают возможности существования квантовых волос, поскольку неясно, какие виды квантовых волос должны вызывать эхо, а какие — нет, и как именно оно будет выглядеть.

Между тем, физики также могут искать «более длинные» волосы — более очевидные отклонения от теории Эйнштейна. Теоретических оснований для этого меньше, но, с другой стороны, сильно искривлённое пространство-время вблизи чёрных дыр — новая среда для астрономов, и они не могут быть уверены в том, что могут обнаружить. Возможно, пространство-время в этих условиях искривляется иначе, чем предсказывает общая теория относительности.

«Я думаю, стоит проверить это», — сказал Ниайеш Афшорди, астрофизик из Университета Ватерлоо в Канаде.

Математика встречает данные

С момента первого обнаружения сталкивающихся чёрных дыр лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2015 году физики пытались использовать эти данные для проверки теории Эйнштейна. Проект ускорился после запуска дополнительных обсерваторий — Virgo в Европе и KAGRA в Японии. Однако на пути стояла серьёзная математическая проблема: сталкивающиеся чёрные дыры всегда вращаются, что значительно усложняет расчёты. Математик Рой Керр ещё в 1963 году рассчитал поведение вращающихся чёрных дыр в рамках уравнений Эйнштейна. Но что, если эти рамки неверны?

Группа физиков из Лёвенского католического университета решила эту проблему в 2023 году. Они разработали методику, позволяющую понять, как будут вести себя быстро вращающиеся чёрные дыры, если модифицировать теорию Эйнштейна.

Затем, позднее в том же году, на конференции аспирант группы Лёвена Саймон Менаут познакомился с Грегорио Карулло, тогдашним постдоком из Копенгагена, экспертом по анализу гравитационных волновых сигналов. Они поняли, что могут проверить теории группы Лёвена на основе данных Карулло, и не стали терять времени. «Мы просто сели за свободный стол и начали писать код вместе», — сказал Карулло, который сейчас работает в Бирмингемском университете.

Они объединили данные о 22 столкновениях чёрных дыр, определив, как бы выглядели столкновения, если бы все они произошли от чёрных дыр одинаковой массы. Затем они сравнили эти данные с прогнозами группы Лёвена. Этот подход позволил исследователям задаться вопросом: предположим, теория Эйнштейна неверна для сильно искривлённого пространства-времени, и за горизонтом событий появляется что-то вроде огненной стены или пушистого комка. Насколько длинными могут быть эти «волосы»? Насколько близко нужно подойти, чтобы чёрная дыра начала вести себя иначе, чем в рамках общей теории относительности?

С 95% уверенностью они исключили любые отклонения от предсказаний Эйнштейна дальше от горизонта, чем 40 километров. Для большинства наблюдаемых чёрных дыр это немного меньше радиуса самой чёрной дыры. Исследователи не смогли никоим образом подстричь чёрные дыры, не говоря уже о том, чтобы сделать это с минимальными затратами, которые, по мнению большинства физиков, необходимы для проверки предлагаемых решений информационного парадокса. Этот результат действительно означает, что чёрные дыры не сильно отклоняются от теории Эйнштейна.

На горизонте

Планируется, что LIGO, Virgo и KAGRA будут работать до конца десятилетия, если не дольше, а около 2030 года к ним присоединится еще одна обсерватория в Индии. Дополнительные данные позволят проводить более точные измерения.

Позднее детекторы гравитационных волн следующего поколения — планируемый телескоп Cosmic Explorer в США и телескоп Эйнштейна в Европе — позволят достичь ещё большей точности. «Телескоп Эйнштейна, по сути, будет наблюдать все чёрные дыры во Вселенной определённого диапазона масс… что невероятно», — сказал Карулло.

Тогда можно будет присмотреться повнимательнее. Вместо волос длиной в несколько десятков километров исследователи смогут искать нарушения теории Эйнштейна на участке длиной с футбольное поле.

«Возможно, мы подтвердим общую теорию относительности Эйнштейна с точностью до пяти знаков после запятой, и это было бы здорово, — сказал Менот, — но также возможно, что мы столкнемся с чем-то, чего не ожидали».

Источник: www.quantamagazine.org