50-річна гіпотеза Стівена Гокінга про те, як чорні діри об'єднуються, була успішно перевірена завдяки величезним досягненням в астрономії гравітаційних хвиль, які допомогли астрономам зафіксувати викликані надзвичайно потужним зіткненням хвилі, коли вони пролітали повз Землю.
Гокінг висунув свою теорему про площу чорної діри в 1971 році, яка стверджує, що коли дві чорні діри об'єднуються, горизонт подій утвореної чорної діри – межа, за якою навіть світло не може вирватися з її лап – не може мати площу, меншу за суму площ двох початкових чорних дір. Теорема перегукується з другим законом термодинаміки, який стверджує, що ентропія, або безлад всередині об'єкта, ніколи не зменшується.
П'ять гравітаційних обсерваторій на Землі вистежують гравітаційні хвилі. До них належать два детектори Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) у США, а також детектор Virgo в Італії, KAGRA в Японії та GEO600 у Німеччині, які експлуатуються міжнародною коаліцією під назвою LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Хоча процеси, що генерують вимірювані гравітаційні хвилі, є одними з найенергійніших і найпотужніших у Всесвіті, до моменту досягнення Землі, що знаходиться за мільйони або мільярди світлових років, вони зменшуються в трильйони разів. Фактично, до моменту досягнення нас гравітаційних хвиль, вперше виявлених LIGO, величина коливань простору-часу, які вони генерували, була в 10 тисяч разів меншою за ядро атома
Нещодавнє зіткнення, назване GW250114, було майже ідентичним тому, яке в 2015 році створило перші спостережені гравітаційні хвилі. Обидва зіткнення відбулися за участю чорних дір з масою в 30–40 разів більшою за масу нашого Сонця і відбулися на відстані близько 1,3 мільярда світлових років.
Цього разу модернізовані детектори LIGO мали втричі більшу чутливість, ніж у 2015 році, тому вони змогли зафіксувати хвилі, що виникають при зіткненні, з безпрецедентною детальністю. Це дозволило дослідникам перевірити теорему Гокінга, обчисливши, що площа горизонту подій дійсно збільшилася після об'єднання.
Коли чорні діри зіштовхуються, вони виробляють гравітаційні хвилі з обертонами, схожими на звук дзвона, каже член команди LVK Лора Наттал з Університету Портсмута. Раніше ці обертони розсіювалися занадто швидко, щоб їх можна було спостерігати з достатньою чіткістю для розрахунку площі горизонтів подій до і після зіткнень, що було необхідно для перевірки теорії Гокінга. Дослідження 2021 року щодо першого виявленого зіткнення підтвердило теорію з рівнем достовірності 95%, але нове дослідження підвищує цей рівень до переконливих 99,999%.
За десять років спостережень за гравітаційними хвилями вчені зафіксували близько 300 зіткнень чорних дір. Але жодне з них не було зафіксовано так чітко і ясно, як GW250114, яке було вдвічі "гучнішим" за будь-яку іншу гравітаційну хвилю, виявлену на сьогоднішній день.
"Ті, що знаходяться дуже, дуже близько – дуже, дуже гучні в наших даних – саме вони дозволяють нам почати досліджувати фундаментальну фізику того, що відбувається, просто тому, що вони такі гучні, а невизначеності такі малі. Тож ми можемо почати виокремлювати найдрібніші деталі того, що відбувається", – каже Наттал. "Ми просто чекаємо, коли природа продовжить дарувати нам ці прекрасні явища".
Коли хвилі від GW250114 досягли Землі, працював лише LIGO, решта детекторів, що співпрацюють LVK, не працювали. Це не вплинуло на перевірку теорії Гокінга, хоча означало, що дослідники не змогли більш точно визначити походження хвиль у небі.
Модернізація LIGO та інших запланованих обсерваторій, які мають запрацювати в майбутньому, забезпечить ще більшу чутливість і дозволить нам глибше зануритися у фізику чорних дір, каже член команди LVK Іан Гаррі, також з Університету Портсмута. "Ми, можливо, не зможемо зафіксувати всі з них, але подібні події траплятимуться знову", – каже Гаррі. "Мабуть, з наступним набором модернізацій, можливо, в 2028 році, ми побачимо щось подібне, і, ймовірно, тоді чутливість буде такою, що ми зможемо реально їх дослідити".
Ці відкриття відкривають шлях для нових досліджень квантової гравітації, за допомогою яких фізики сподіваються об'єднати загальну теорію відносності та квантову фізику. За словами Наттала, останні результати показують, що загальна теорія відносності та квантова механіка продовжують добре взаємодіяти, хоча в майбутньому очікуються деякі розбіжності.
"У якийсь момент ми зможемо побачити, що все перестає працювати як слід, і це буде тоді, коли ми отримаємо дуже близькі сигнали, які будуть надзвичайно гучними в наших даних у міру підвищення чутливості приладів", – каже Нуттал.
Останні дані від LVK також дозволили вченим підтвердити рівняння математика Роя Керра з 1960-х років, які вказували, що чорні діри можна охарактеризувати лише двома показниками: їхньою масою та обертанням. По суті, дві чорні діри з однаковою масою та обертанням є математично ідентичними. Завдяки спостереженням за GW250114 ми тепер знаємо, що це правда.
Matthew Sparkes
Gravitational waves finally prove Stephen Hawking's black hole theorem
NewScientist, 10.09.2025
21.09.2025