Эйнштейн vs. Вселенная — 1:0. Чёрные дыры снова сыграли на его стороне

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна утверждает, что портрет чёрной дыры определяется всего двумя числами: массой и скоростью вращения. Больше никаких особенностей у таких объектов быть не должно — в этом суть гипотезы об отсутствии волос у чёрных дыр (no-hair conjecture). Любые две дыры с одинаковыми массой и спином должны быть неразличимы по внешним проявлениям, если не учитывать ещё одну, практически несущественную характеристику — электрический заряд, который у астрофизических чёрных дыр пренебрежимо мал.

Последние десять лет наблюдения дали возможность напрямую проверять эту идею. Детекторы гравитационных волн зарегистрировали сотни сигналов от слияний компактных объектов. Когда две чёрные дыры вращаются в стремительно сужающейся орбите и затем объединяются, новая, более массивная дыра проходит стадию затухающего звона — так называемого кольцевания. В этот момент пространство-время дрожит, излучая гравитационные волны, которые доходят до земных интерферометров. Если теория Эйнштейна точна, форма сигнала определяется исключительно массой и спином исходных объектов. Любое отклонение указывало бы на дополнительные характеристики, своеобразные «волосы», несущие отпечаток истории каждой дыры.

По мере накопления наблюдений стало ясно, что проверки можно делать строже и разнообразнее. Физик Витор Кардозу из Нильс-Боровского института в Копенгагене вместе с коллегами обобщил текущее состояние исследований. В конце мая они представили обзор , который включает и их собственный анализ гравитационно-волновых данных, выполненный осенью прошлого года. Объединив сигналы от множества событий, команда пришла к выводу: картина полностью согласуется с общей теорией относительности. Если же какие-то отклонения существуют, то они должны находиться совсем рядом с горизонтом событий — ближе чем в 40 километрах от него. Для большинства наблюдаемых чёрных дыр это расстояние сравнимо, а иногда и меньше их радиуса.

Пока никаких признаков дополнительных свойств не выявлено. Однако теоретики продолжают рассматривать квантовые поправки, которые по ряду доводов должны проявляться в виде тонких «волос», чрезвычайно трудных для обнаружения. Вопрос напрямую связан с одной из главных загадок современной физики — как совместить общую относительность и квантовую механику. Если объект пересекает горизонт событий, то для внешнего наблюдателя остаётся только его вклад в массу и спин дыры. Всё остальное исчезает. Но квантовая теория настаивает, что информация не может исчезнуть — иначе нарушается сохранение вероятностей. Этот конфликт называют информационным парадоксом.

В 2012 году физики показали, что ключ к парадоксу скрыт в природе горизонта. Ещё с 1970-х годов известно, что чёрные дыры испускают излучение, которое должно уносить зашифрованную информацию о проглоченном веществе. В мысленном эксперименте учёные рассмотрели ситуацию, когда астронавт почти достиг горизонта старой чёрной дыры и общается с наблюдателем, собравшим за миллиарды лет её излучение. В результате у обоих оказывается дублирующий набор информации, что противоречит квантовым правилам. Чтобы избежать этого, должна существовать некая физическая особенность вблизи горизонта, мешающая астронавту получить «лишние данные».

Предлагаемые решения описывают дополнительные структуры у границы невозврата — так называемые квантовые волосы. Согласно гипотезе стены огня, возле горизонта формируется слой частиц с колоссальной энергией, обрывающий связь между наблюдателями. Альтернативный подход Самира Матхура предполагает, что классического горизонта вовсе нет: чёрные дыры — это фаззболы, квантовые суперпозиции множества конфигураций пространства-времени с размытыми краями. Существуют и другие модели: гравастары, окружённые экзотической оболочкой, или регулярные чёрные дыры, где отсутствуют сингулярности.

Каждый такой сценарий в принципе должен менять характер гравитационных волн, возникающих после слияния. Чаще всего эффекты проявляются на запредельно малых масштабах — порядка планковской длины, около 10⁻³³ сантиметра. Настолько «короткие волосы» невозможно заметить напрямую, но они могли бы оставлять послеосвещение — эхо, возникающее от многократных отражений волн вблизи горизонта. Поиски эхосигналов пока безрезультатны, но отсутствие находок не закрывает возможность существования квантовых волос. Учёные пока не уверены, какой именно их тип обязан создавать эхо и как именно оно должно выглядеть.

Есть и обратная стратегия: искать более явные отклонения — так называемые длинные волосы. Теоретических оснований для их существования меньше, но область сильной кривизны у чёрных дыр остаётся новым полем для наблюдений. Нельзя исключить, что геометрия там ведёт себя иначе, чем в уравнениях Эйнштейна.

С математической стороны задача осложняется тем, что реальные чёрные дыры вращаются. Их описание требует решения, найденного Роем Керром ещё в 1963 году. Но если сама теория нуждается в поправках, классическая модель Керра уже неприменима. В 2023 году группа учёных из Католического университета Лёвена предложила новый метод расчёта для быстро вращающихся чёрных дыр в рамках альтернативных моделей. На одной из конференций аспирант этой команды Симон Маэно встретил Грегорио Карулло, специалиста по анализу гравитационно-волновых данных из Копенгагена. Их сотрудничество началось сразу: они объединили теоретические разработки с наблюдательными данными и приступили к вычислениям.

Учёные собрали данные о 22 слияниях и преобразовали их так, словно все они происходили с участием чёрных дыр одинаковой массы. Это позволило напрямую сравнить наблюдения с модифицированными предсказаниями. По сути, они спросили: если общая относительность даёт сбой в зоне сильной кривизны и у горизонта возникает стена огня, фаззбол или другая структура, на каком расстоянии от горизонта её можно заметить? Результат оказался строгим: с вероятностью 95% никаких отклонений не видно дальше, чем на 40 километров от горизонта. Иными словами, чёрные дыры ведут себя именно так, как описывал Эйнштейн, по крайней мере на масштабах десятков километров.

Нынешние детекторы продолжают работать и совершенствоваться. Американский LIGO, европейский Virgo и японский KAGRA будут собирать данные до конца десятилетия, а к ним около 2030 года присоединится индийская обсерватория. С ростом числа событий точность проверок увеличится. Ещё больший прогресс обещают установки нового поколения: Cosmic Explorer в США и Einstein Telescope в Европе. Последний, по оценкам, сможет регистрировать практически все слияния чёрных дыр в определённом диапазоне масс. Это даст возможность проверять теорию на масштабах не десятков километров, а буквально футбольного поля.

Таким образом, гипотеза об отсутствии волос у чёрных дыр пока выдерживает проверки. Но границы точности оставляют место для неожиданностей. Будущие обсерватории либо подтвердят предсказания общей теории относительности с точностью до пятого знака после запятой, либо обнаружат намёк на новые явления. В обоих случаях результат окажется ценным: либо укрепит фундамент физики, либо подскажет, где искать квантовые эффекты на пороге горизонта событий.