Теориите за черните дупки на Хокинг и Кер са потвърдени от гравитационни вълни

Учени са потвърдили две дългогодишни теории, свързани с черните дупки – благодарение на откриването на най-ясно регистрирания до момента сигнал на гравитационна вълна.

Десет години след откриването на първата гравитационна вълна, колаборацията LIGO-Virgo-KAGRA на 10 септември обяви откриването на GW250114 - вълна в пространство-времето, която носи безпрецедентна информация за природата на черните дупки и фундаменталните закони на физиката.

Проучването потвърждава предсказанието на професор Стивън Хокинг от 1971 г., че когато черните дупки се сблъскват, общата площ на хоризонта на събитията на получената черна дупка е по-голяма от сумата на отделните черни дупки и тя не може да се свие.

Изследванията също така потвърждава природата на черните дупки така, както ги е определил новозеландският математик Рой Кер със своя набор от уравнения, разработени през 1963 г., елегантно обясняващи как изглеждат пространството и времето близо до въртяща се черна дупка. Метриката на Кер предсказва ефекти като "влачене" на пространството и още по-удивителните цикли, които свързват безкрайно много "независими" пространства в черната дупка. Те могат да бъдат и "други" вселени, и отдалечени части на нашата Вселена. В получените по този начин пространства има затворени времеподобни криви - един пътешественик във времето може по принцип да попадне в миналото си, т.е. да срещне себе си.

Публикувайки своите открития в Physical Review Letters, международната група изследователи, включително експерти от Университета в Бирмингам, отбелязват, че GW250114 е открит със съотношение шум/сигнал от 1:80. Тази яснота позволи прецизни тестове на Общата теория на относителността и термодинамиката на черните дупки.

"GW250114 е най-силното гравитационно вълново събитие, което сме засекли досега, бе като шепот, превръщащ се във вик", коментира Герайнт Пратен (Geraint Pratten), член на Кралското общество в университета в Бирмингам и член на екипа на LVK. "Това ни даде безпрецедентна възможност да подложим теориите на Айнщайн на едни от най-строгите възможни тестове – потвърждавайки едно от пионерските предсказания на Стивън Хокинг, че когато черните дупки се сливат, комбинираната площ на техните хоризонти на събитията може само да расте и никога да се свива."

Ляв панел: Честота и време на затихване (полуживот) на различните тонове на звънене, измерени в GW250114. Черните маркери показват стойностите, предсказани за черна дупка на Кер. Десен панел: гравитационен вълнов сигнал (долна спирала), излъчван от остатъчната черна дупка (долна сфера) в различните тонове, за числена симулация, съответстваща на измерените параметри на GW250114. Кредит: Dr. Keefe Mitman (Cornell University), Prof. Harald Pfeiffer (Albert Einstein Institute, Potsdam)

GW250114 е засечен от двата детектора на Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) в САЩ. LIGO работи в координация с два международни партньора - детектора за гравитационни вълни Virgo в Италия и KAGRA в Япония, образувайки мрежа за лов на гравитационни вълни, наречена LVK (LIGO, Virgo, KAGRA).

Екипът на LVK, който включва членове на Университета в Бирмингам, успява да установи, че GW250114 е генерирана от сблъсъка на две черни дупки с маса около 32 пъти по-голяма от тази на нашето слънце.

LIGO открива гравитационна вълна, преминаваща през Земята на всеки няколко дни, но GW250114 се оказа специална. Данните показват, че първоначалните черни дупки са имали обща повърхност приблизително с размера на две Българии (240 000 квадратни километра), докато крайната площ е била около 400 000 квадратни километра.

През 70-те години на миналия век Хокинг и физикът Джейкъб Бекенщайн (Jacob Bekenstein) стигат до заключението, че площта на черната дупка е пропорционална на нейната ентропия или степен на безпорядък, което проправя пътя за по-късна новаторска работа в областта на квантовата гравитация, която се опитва да обедини двата стълба на съвременната физика: Общата теория на относителността и квантовата физика.

След като черните дупки се слеят, по време на това, което физиците наричат ​​фаза на "звънене", последната черна дупка вибрира, излъчвайки гравитационни вълни със специфични честоти, подобни на характерните звуци, които би издала камбана, когато се удари в нея, "гласовете" на черната дупка.

Решението на Рой Кер предсказва, че черната дупка и нейните "гласове" се описват еднозначно само с две числа: масата и спина (скоростта на въртене) на черната дупка. Последиците от този революционен резултат отличават черните дупки от всички други космически обекти: една звезда може да бъде описана с много голям набор от сложни характеристики, докато черните дупки, по-тежки от милион пъти нашето слънце, са описани само с две прости числа - маса и спин.

Инфографика, представяща напредъка на обсерваториите за гравитационни вълни – едно от най-прецизните измервателни машини, създавани някога от човечеството – в наблюдението на космически сблъсъци на черни дупки, като регистрираните сигнали са показани в долния панел. Съвременните телескопи също наблюдават с все по-голяма прецизност тези събития, създавайки красивите изображения, показани в горния панел.

"Като се има предвид яснотата на сигнала, произведен от GW250114, за първи път успяхме да различим два "тона" от "гласовете" на черните дупки и да потвърдим, че те се държат според предсказанието на Кер, получавайки безпрецедентни солидни доказателства, че природата на черните дупки се определя от уравненията на Кер", коментира Грегорио Каруло (Gregorio Carullo), доцент в университета в Бирмингам и координатор на един от екипите за анализ на LVK.

Резултатите са публикувани почти точно десет години след първото забележително наблюдение на гравитационни вълни. На 14 септември 2015 г. на Земята пристигна сигнал, носещ информация за двойка отдалечени черни дупки, които са се спирализирали и са се слели заедно.

"Откриването на двойна черна дупка с параметри, подобни на тези на GW150914, но три пъти "по-шумна", само десетилетие след революционното откритие, се дължи на огромните технологични подобрения на нашите инструменти, проправящи пътя за прецизна астрономия с гравитационни вълни", коментира Патриша Шмит (Patricia Schmidt), доцент в Университета в Бирмингам и съпредседател на аналитичния екип на LVK.

"Изключителното съотношение сигнал/шум на GW250114 показва колективния напредък в инструментариума за гравитационни вълни в нашата общност", добавя Амит Сингх Убхи (Amit Singh Ubhi), част от екипа по инструменти в Бирмингам, допринесъл за ключовия хардуер, който направи възможно подобно откритие.

"Тази безпрецедентна яснота ни позволява да изследваме еволюцията на черните дупки с несравнима прецизност, демонстрирайки влиянието на най-съвременните технологии върху нашето разбиране за фундаменталните закони на природата."

Справка: GW250114: testing Hawking's area law and the Kerr nature of black holes, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kw5g-d732

Източник: Hawking and Kerr black hole theories confirmed by gravitational wave, University of Birmingham

Още по темата

01/07/2025

Физика

Мощни магнити биха могли да откриват високочестотни гравитационни вълни

19/05/2025

Физика

Ако черните дупки не се слеят, а се отблъснат, те пак могат да излъчат гравитационни вълни

06/11/2024

Физика

Астрономи опровергаха хипотезата на Кер за въртящите се черни дупки

23/04/2019

Космос

M87 * е черна дупка на Кер и това й придава особени свойства