Объединение двух чёрных дыр, особенно на финальных стадиях, приводит к излучению огромного количества гравитационных волн

Возможно, величайшим открытием 2016 года стало непосредственное обнаружение гравитационных волн. Хотя общая теория относительности Эйнштейна предсказала их за 101 год до этого события, для их обнаружения потребовалось создать лазерный интерферометр, чувствительный к искривлениям пространства, сдвигающего зеркала, расположенных в нескольких километрах друг от друга, на расстояние не более 10^-19 м, или на 1/10000 диаметра протона. Это, наконец, случилось во время обработки данных LIGO в 2015 году, и два настоящих объединения чёрных дыр недвусмысленно нашлись среди полученных данных. Но как это допускают законы физики? Наш читатель хочет узнать:

Этот вопрос занимал меня очень долго. В статьях об открытии, сделанном на LIGO, пишут, что часть массы при слиянии чёрных дыр была излучена, из-за чего результирующая чёрная дыра получилась меньше, чем сумма двух изначальных. Однако же считается, что из чёрной дыры убежать нельзя. Как же энергия излучалась при слиянии чёрных дыр?

Довольно глубокий вопрос, относящийся к самой сути физики чёрных дыр и ОТО.


Чёрная дыра и её окружение, ускоряющийся и падающий в неё аккреционный диск. Сингулярность прячется за горизонтом событий.

С одной стороны у нас есть чёрная дыра. Вся её масса/энергия концентрируется в сингулярности в центре, и внешнему наблюдателю она не видна из-за присутствия горизонта событий. Внутри него любой путь, которым может следовать частица, будь она массивной или безмассовой, вне зависимости от её скорости или энергии, приведёт её к сингулярности в центре чёрной дыры. Это значит, что любая частица, попавшая внутрь горизонта событий, никогда не сможет выбраться оттуда, поэтому вся энергия будет поймана внутри чёрной дыры навсегда. Попав в чёрную дыру, вы становитесь частью свойств сингулярности: массы, заряда (всяких видов) и спина. И всё.


Волны в пространстве-времени обладают частотой общей орбиты чёрных дыр, и чем ближе они к центру, тем интенсивнее

С другой стороны, ОТО говорит нам, что когда две массы любого типа вращаются друг вокруг друга, в результате на ткани пространства появляются волны, а орбита постепенно сужается. Это гравитационные волны, они перемещаются со скоростью света, переносят с собой энергию, и заставляют пространство расширяться и сужаться, проходя через него. Из-за знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc² (или, как он его изначально записал, m = E/c²), нам известно, что источником энергии служит масса, а источником массы – энергия. Их можно преобразовывать туда и обратно; масса – всего лишь одна из форм, которую принимает энергия.


Сигнал LIGO, связанный с первым точным обнаружением гравитационных волн

Так что, когда LIGO опубликовал результаты события, случившегося 14 сентября 2015 года, в январе 2016-го, не было ничего особенно удивительного в том, что учёные обнаружили две чёрные дыры – массами в 36 и 29 солнечных – сливающиеся, чтобы породить новую чёрную дыру массой в 62 солнечных. А куда девались ещё три массы Солнца (порядка 5% веса всей системы)? Они ушли в энергию гравитационных волн. У всех обнаруженных после этого событий была примерно одна тенденция: две чёрные дыры сравнимых масс сближаются по спирали, и примерно 5% их общей начальной массы излучается вовне в виде гравитационных волн.

Но у каждой чёрной дыры есть горизонт событий. У каждой из пары он был до слияния, он есть у получившейся в результате чёрной дыры, и ни в какой из моментов слияния сингулярность не становится «голой» и не показывается из-за горизонта событий. Так как же уменьшается масса?


Любой объект или форма, физическая или не физическая, исказится при прохождении через него гравитационных волн. Изнутри горизонта событий никакие волны не излучаются.

Это не вопрос с подвохом. Это всё равно, что спросить, куда девается масса, когда протоны сливаются в дейтерий, гелий-3, а затем гелий-4 в Солнце. Почему гелий-4 менее массивен, чем четыре протона, из которых он возник? Из-за энергии связи ядер. Связанное состояние более стабильно, и у него меньше энергии (а следовательно, и меньше массы), чем у несвязанного. Когда две чёрных дыры сближаются и сливаются, они становятся более связанными гравитационно, чем были до этого. Они теряют энергию благодаря энергии гравитационной связи, а не из-за того, что какая-то часть массы покидает горизонт событий.


Закон Ньютона о всемирном притяжении уступил место ОТО Эйнштейна, но всё ещё служит наглядным инструментом для отслеживания таких величин, как сила и энергия.

Это можно увидеть из ньютоновской гравитации. Представьте, что у вас есть две массы по 1 кг, они покоятся и разделены бесконечным расстоянием. Такая система обладает внутренней энергией: 1,8 ? 10¹⁷ Дж, что можно рассчитать из уравнения Эйнштейна E = mc². Теперь приблизим их, уменьшив расстояние между ними.

• Если их разделяет километр, то вся система потеряла 6,67 ? 10^-14 Дж.
• Если уменьшить расстояние до сантиметра, система потеряет 6.67 ? 10^-9 Дж.
• Если уменьшить расстояние до размера протона, 10^-15 м, система потеряет 6.67 ? 10⁴ Дж, то есть 66700 Дж.
• Если вы хотите потерять по-настоящему большой объём энергии, то можно уменьшить разделяющее их расстояние до 10^-27 м, и тогда вы потеряете 6,67 ? 10¹⁶ Дж, или порядка 35% изначальной энергии системы!


Свет и волны в пространстве. Свет, проходя через искривлённое пространство, меняет то, как наблюдатель в любой точке воспринимает время, прошедшее для света.

Конечно, Вселенная на таких масштабах подчиняется ОТО, а не ньютоновской гравитации, но суть остаётся той же. Это не чёрные дыры теряют массу; это общее количество энергии превращается из одной формы – двух разделённых несвязанных масс – в другую: единую, сильно связанную массу и гравитационное излучение. Свойства орбиты и массы изначальных чёрных дыр определяют, какой процент общей изначальной массы станет связующей энергией, но в любом случае конечная масса будет больше, чем любая из начальных, но меньше, чем их сумма. Максимально на излучение может уйти до 5% энергии, когда две массы примерно одинаковы. Если в их спинах содержится огромное количество энергии, и они параллельны, то этот процент можно увеличить до 11%. Но если одна из масс сильно превосходит другую, процентное отношение падает. Чёрная дыра массой в 1 солнечную, сливаясь с чёрной дырой, массой в 1000000, потеряет на излучение порядка 0,0001% своей энергии.


Представление художника о двух звёздах, вращающихся друг вокруг друга и постепенно сливающихся, что порождает гравитационные волны. Это вероятный источник короткоживущих вспышек гамма-излучения, а также источник гравитационных волн.

В результате сближения по спирали и слияния ничто изнутри чёрных дыр не выходит наружу, это пространство-время деформируется под воздействием потенциальной гравитационной энергии. На последней фазе слияния горизонт событий принимает наиболее эффективную форму – сферы или сфероида. Именно в самую последнюю долю секунды испускается большая часть энергии, но никакие частицы изнутри горизонта событий не выходят наружу. Предсказания Эйнштейна весьма точны, именно поэтому мы и смогли обнаружить эти волны: мы подсчитали, какого сигнала нам нужно ожидать. Наша интуиция может нас подводить, но для этого и существуют уравнения. Даже когда наши инстинкты нас обманывают, расчёты дадут нам научную истину.