Теорему об отсутствии волос проверили с помощью гравитационных волн

Физики из США показали, что теорема об отсутствии волос выполняется для черной дыры, образовавшейся в результате события GW150914. Для этого ученые проанализировали спектр гравитационных волн и подтвердили, что удаленный наблюдатель не может отличить черную дыру, появившуюся в результате слияния двух меньших объектов, от возмущенной черной дыры. Правда, статистическая значимость этого утверждения составляет всего 10 процентов, однако в будущем ученые собираются ее уменьшить. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Теорема об отсутствии волос утверждает, что метрика черной дыры полностью определяется всего тремя ее параметрами — массой, угловым моментом (спином) и электрическим зарядом (последним на практике можно пренебречь, поскольку материя в среднем не заряжена). Остальная информация об исходной материи (именно ее называют волосами) скрывается за горизонтом событий, а потому теряется для внешнего наблюдателя. Другими словами, неважно, из чего образуется черная дыра — достаточно знать массу и скорость вращения ее «строительных материалов», чтобы предсказать конечный результат. В частности, черные дыры, собранные из одинакового количества материи и антиматерии, будут выглядеть одинаково. Поэтому теорема об отсутствии волос тесно связана с информационным парадоксом. Подробнее про теорему об отсутствии волос и информационный парадокс можно прочитать в материалах «Никакого парадокса нет» и «Уйдем по направлению световой бесконечности».

Впрочем, называть теорему об отсутствии волос теоремой не совсем верно — до сих пор это предположение доказано только для нескольких частных случаев, тогда как обобщенная теорема остается только гипотезой. Более того, обычно теорема об отсутствии волос рассматривается в контексте классической Общей теории относительности, хотя квантовые эффекты для черных дыр также играют существенную роль. Некоторые физики считают, что в квантовой теории гравитации (а значит, и в реальности) внешний наблюдатель все еще может извлечь информацию о поглощенных объектах — например, с помощью корреляций в излучении Хокинга, — а потому теорема об отсутствии волос перестает работать. Тем не менее, доказать это предположение еще сложнее, поскольку квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Поэтому проверить теорему на практике оказывается особенно важно.

Разумеется, проверить теорему об отсутствии волос напрямую, изготавливая и сравнивая несколько черных дыр, невозможно (по крайней мере, при текущем уровне развития техники). Тем не менее, такую проверку можно провести дистанционно с помощью гравитационных волн, которые несут в себе информацию о коллапсирующей материи. Чтобы представить себе, как работает такая проверка, сравним черную дыру с бокалом. Если ударить по бокалу ложечкой, то он зазвенит, то есть станет вибрировать и испускать в окружающее пространство звуковые волны. При этом частота и скорость вибраций, а вместе с ними и спектр волн, определяется формой бокала и количеством воды, которая в него налита. Полный бокал звучит выше, пустой — ниже; широкий бокал испускает одни обертоны, а узкий другие. Следовательно, по спектру испускаемых волн можно восстановить форму и материал бокала (пусть и приблизительно).

В случае черной дыры ситуация выглядит абсолютно так же, только вместо звука нужно анализировать гравитационные волны, а вместо ложечки сталкивать ее с другой черной дырой. После такого столкновения дыра «зазвенит», гравитационные волны достигнут Земли, попадут в детектор и расскажут, чем определяется метрика их источника. Вообще говоря, идея такой проверки возникла довольно давно, еще в 70-х годах прошлого века. Однако точность гравитационных детекторов достигла необходимого предела только в прошлом году.

Группа физиков под руководством Саула Теукольского (Saul Teukolsky) впервые проверила эту идею на реальных данных и показала, что теорема об отсутствии волос действительно выполняется. Для этого ученые проанализировали событие GW150914 — первые в истории зарегистрированные гравитационные волны. Другими словами, исследователи предположили, что к основной моде колебаний черной дыры добавляется несколько обертонов, рассчитали спектр гравитационных волн и сравнили его с экспериментом. Затем с помощью байесовского анализа физики вытащили из этого анализа допустимые значения частоты и амплитуды колебаний. Полученные результаты физики сравнили с полноценным анализом, который обсчитывал все стадии слияния двух черных дыр с помощью численной теории относительности.

В результате исследователи обнаружили, что обертоны практически не сказываются на спектре гравитационных волн: чтобы «приближенный» и «полноценный» анализ давали один и тот же результат, достаточно ограничиться основным тоном и первым обертоном. По словам ученых, это означает, что удаленный наблюдатель не может отличить черную дыру, появившуюся в результате слияния, от возмущенной черной дыры. Это подтверждает теорему об отсутствии волос. Впрочем, исследователи подчеркивают, что надежность такой проверки пока еще не очень велика — проведенное доказательство ученые называет достоверным на 90 процентов. Тем не менее, в будущем, когда будет набрано гораздо больше статистики, теорему можно будет проверить гораздо точнее.

После последней модернизации гравитационные детекторы LIGO/Virgo стали настолько чувствительными, что ловят гравитационные волны несколько раз в месяц. Это открывает новые возможности для астрономов, которые до сих пор наблюдали за Вселенной только с помощью электромагнитных волн. В частности, с помощью гравитационной астрономии ученые надеются уточнить постоянную Хаббла, найти первичные черные дыры, увидеть экзотические компактные объекты, «мимикрирующие» под черные дыры, заглянуть внутрь нейтронной звезды. Подробнее про перспективы гравитационной астрономии можно прочитать в материалах «За волной волна», «Рождение золота» и «Ботаники в неведомой стране».

Дмитрий Трунин