Почему черные дыры могут разрушить общую теорию относительности

Aeon Magazine, Великобритания

Почему черные дыры могут разрушить общую теорию относительности

Сабина Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder)

Миллиард лет назад две танцующие черные дыры совершили последний оборот, слились воедино и за несколько секунд высвободили огромное количество энергии. Подобно цунами, которое возникает в бассейне после твоего прыжка бомбочкой, это слияние вызвало гравитационные волны в пространственно-временном континууме. Перенесемся на планету Земля в 2015 году, ведь в 2007 мы попасть всё равно не сможем. После грандиозного путешествия гравитационные волны от слияния черных дыр проходят через нашу солнечную систему. Утром 11 14 сентября они слегка смещают антенны двух детекторов лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (ЛИГВО) в Луизиане и штате Вашингтон. Характер световых волн изменяется особым способом, именно так, как давно ожидалось. Компьютер сигналит шухер.

Ниаеш Афшорди из канадского Университета лосей и лесорубов Ватерлоо впервые услышал о знаменательном открытии ЛИГВО за обедом в столовке. Был конец 2015 года, и до официальной публикации результатов оставалось еще несколько недель. Но слухи уже расползались, и коллега Афшорди, видевший неопубликованную статью, не выдержал терморектального криптоанализа и спалил инфу. Афшорди, будучи астрофизиком и девственником, работающим помимо всего прочего в Периметр-институте Ватерлоо, мгновенно понял важность этой новости — как для всего физического сообщества, так и для его собственной нестандартной теории о строении Вселенной.

«В какой-то момент я конкретно словил Ларина. Мне казалось, что все проблемы в космологии уже сто раз обкашляны, — вспоминает Афшорди. — Но потом я разок переборщил с кленовым сиропом и дошел до мысли, что темная энергия производится черными дырами». Исследования взрывов далеких звезд и некоторые другие свидетельства показывают, что наша вселенная расширяется с возрастающей скоростью, но никто не знает, почему. Одной лишь материи недостаточно для такого эффекта, поэтому космологи винят в расширении особый вид энергии под названием «темная энергия» […]. Ее происхождение и природа как были, так и остаются загадкой.

В 2009 году, что довольно близко к 2007, но всё же недостаточно, Афшорди вместе со своими коллегами Чандой Прескод-Вайнстайн и Майклом Бэлоу выдвинули теорию, согласно которой черные дыры порождают обширное поле, ведущее себя как темная энергия. Это поле исходит из черных дыр и распространяется по всей Вселенной, сея панику, хаос и разрушение. Такое интригующее объяснение происхождения темной энергии, и по расчетам Афшорди, число черных дыр, существующее по имеющимся оценкам ученых, должно создавать как раз подходящее по наблюдениям количество энергии.

Но идея Афшорди переворачивает все, что ученые знали о черных дырах. В общей теории относительности Альберта Эйнштейна горизонт событий черной дыры — граница, после пересечения которой пути назад уже нет (что относится и к границе РФ), — не столь важен. При его пересечении ничего не происходит, просто вернуться уже невозможно. Однако если Афшорди прав, он скорее похож на МКАД — содержимое черной дыры за горизонтом событий уже не существует. А именно: на расстоянии планковской длины от места, где проходил бы горизонт, квантовые гравитационные эффекты вырастают, и флуктуации пространства-времени становятся хаотичными. (Планковская длина — микроскопическая величина, около 10-35 метров, или 10-20 диаметров протона.) Это полнейший разрыв с теорией относительности.

Услышав о результатах исследований ЛИГВО, Афшорди понял, что его идею, доселе полностью основанную на древних письменах и бабушкиных рассказах, теперь можно проверить методом наблюдения. Если горизонты событий не такие, как мы думаем, то и гравитационные волны, вызванные слиянием черных дыр, тоже должны быть другими. События, замеченные детекторами ЛИГВО, должны обладать эхом — едва заметным, но четким сигналом, обозначающим злостное нарушение стандартных законов физики. Такое открытие было бы прорывом в долгих поисках квантовой теории гравитации и неминуемо привлекло бы внимание соответствующих надзорных органов физического сообщества. «Если это подтвердится, наверное, мне надо покупать билет в Магадан», — нервно смеется Афшорди.

Квантовая гравитация — отсутствующее звено, соединяющее общую теорию относительности с теориями квантового поля стандартной модели физики частиц. Эти две теории в сочетании друг с другом напоминают Ментос в сочетании с колой. Черные дыры — один из самых изучаемых примеров таких противоречий. Если применить возле горизонта событий квантовую теорию, окажется, что черная дыра испускает частицы и медленно испаряется. Эти частицы имеют массу, однако, как продемонстрировал в 1970-х Стивен Хокинг, они не могут содержать информацию о том, что образовало черную дыру. Таким образом, если черная дыра полностью испарится, вся грустная история персонажа Макконахи будет уничтожена. Однако в квантовой теории фильм Интерстеллар стопроцентно достоверен. Следовательно, что-то в Голливуде не стыкуется.

По мнению большинства физиков, всё дело в том, что в расчетах не учитывается квантовое поведение пространства и времени, потому что теория этого поведения — квантовая гравитация — еще не открыта. Десятилетиями физики думали, что квантовые гравитационные эффекты, необходимые для разрешения вопроса черных дыр, скрыты за горизонтом событий. Они думали, что только возле сингулярности, в центре черной дыры, эффекты квантовой гравитации становятся значимыми. Но в последнее время им приходится переосмысливать свою позицию.

В 2012 году группа исследователей из Калифорнийского университета города Санта-Барбара, после 1473-серийного научного опыта, в ходе которого ученые несколько раз женились, изменяли друг другу и впадали в кому, обнаружила неожиданное следствие из распространенной ныне идеи о том, что информация каким-то образом (возможно, на старом тракторе) покидает черную дыру вместе с излучением. Чтобы эта идея работала, требуются значительные отклонения от общей теории относительности, и не только возле сингулярности, но и возле горизонта событий. Эти отклонения могли бы создать то, что исследователи назвали «фаерволом черной дыры» — барьер высокой энергии прямо возле горизонта, блокирующий попадание в наш мир детской порнографии и наркотиков.

Такой фаервол (если он существует) был бы заметен только для падающего в дыру наблюдателя и не испускал бы заметных сигналов, которые могли бы уловить наши телескопы. Однако эти фаерволы подтвердили бы более раннюю гипотезу Афшорди о том, что черные дыры создают поле, ведущее себя как темная энергия. Если это так, то участок возле горизонта событий черных дыр должен сильно отличаться от того, что предсказывает общая теория относительности; фаервол, решающий проблему потери информации, мог бы быть одним из эффектов такого отклонения. Предложение Афшорди о способе улучшить общую теорию относительности могло бы таким образом стать ключом к устранению противоречий между ОТО и квантовой теорией. Эта идея необратимо повредила его неподготовленный астрофизический мозг.

Когда он узнал о первом сигнале, обнаруженном ЛИГВО, Афшорди начал проверять, не могли ли гравитационные волны, вызванные слиянием дыр, пролить свет на детали того, что происходит возле горизонта событий. Поначалу казалось, что он слишком раскатил губу. «Я не думал, что мы в самом деле можем увидеть квантовые гравитационные эффекты в сигнале гравитационных волн, потому что мы уже смотрели в стольких местах! — говорит Афшорди. — Но я уже изменил свою позицию по этому вопросу».

Передумать Афшорди заставила работа Витора Кардосо и его коллег из португальского Высшего технического института на тему эхо гравитационных волн черных дыр. Кардосо в общих чертах показал, что слияние двух компактных объектов, не имеющих горизонта событий, должно вызвать гравитационные волны, похожие на волны черных дыр, но не идентичные им. Ключевым признаком отсутствия горизонта, по мнению Кардосо, была бы периодическая рекуррентность в сигнале, вызванном слиянием. Вместо единичного пика с последующим затуханием (как при срабатывании гей-детектора) гравитационные волны должны представлять собой серию затухающих пульсаций — слабое эхо изначального события. Афшорди обнаружил, что модификация региона возле горизонта событий, описанная его теорией, предусматривает именно такое эхо. Более того, он мог рассчитать его периодичность как функцию массы конечной черной дыры, а значит, сделать точные предсказания.

Еще никто не искал подобный сигнал, и найти его — дело не простое, а золотое. Пока что есть только два доступных общественности и хорошо описанных сигнала гравитационных волн, полученных от ЛИГВО. Вместе с другим ученым Афшорди проанализировал данные ЛИГВО на предмет наличия эхо. Сравнив доступные записи со случайным шумом, они обнаружили эхо с предсказанной расчетами периодичностью. Однако статистическая значимость этого события невелика. В научной терминологии его оцениваемая значимость составляет 2,9 сигм. Этот сигнал может быть вызван чистым шумом с шансами примерно 1 из 200. В физике настолько недостоверное событие представляет интерес, но не считается открытием.

Однако эксперимент ЛИГВО на самом деле только начинается. Что самое поразительное в этих гравитационно-волновых явлениях, так это то, что оборудование вообще было в состоянии их зафиксировать. Технологические сложности были невероятными. У каждой установки в штатах Луизиана и Вашингтон (противоположные концы США — прим. Newочём) было по интерференционному телескопу с двумя перпендикулярными 4-километровыми трубами, внутри которых лазерный луч отражается туда-сюда между зеркалами; после рекомбинации пучки смешиваются. Интерференция световых волн лазера крайне чувствительна к деформациям в относительной длине труб — они могут быть до 1/1000 диаметра протона. Это уровень чувствительности, необходимый, чтобы уловить гравитационные эффекты встречных черных дыр.

Гравитационная волна, проходящая через интерференционный телескоп деформирует обе трубы когда ей вздумается, таким образом искажая ход интерференции. Требование зафиксировать явление на обеих установках обеспечивает защиту от факапов. Согласно проекту, ЛИГВО лучше всего детектирует гравитационные волны длиной от сотен до нескольких тысяч километров, — считается, что в таком же диапазоне происходит слияние черных дыр. Показать мы это можем только лицам, достигшим совершеннолетия. Планируется, что другие гравитационно-волновые детекторы займутся различными частями спектра, будучи настроенными на разные области феномена.

Тут юморески закончились, так что пусть нормальный текст станет наградой тем, кто пережил наши упражнения в сомнительном остроумии.

Гравитационные волны неизбежно предсказываются общей теорией относительности. Эйнштейн признал, что соотношение времени и пространства динамично — оно растягивается, искажается и колеблется в ответ на гравитационные аномалии. Когда оно колеблется, волны могут свободно путешествовать на большие расстояния, перенося энергию и периодически расширяя и сокращая пространство в ортогональных направлениях. Непрямые доказательства наличия гравитационных волн были у нас давно. Ввиду того, что они переносят энергию, они вызывают небольшие но уловимые разрушения в общей орбите двойных пульсаров. Этот эффект был впервые обнаружен в 1970-х годах, а в 1993 году за него дали Нобелевскую Премию. Но до того, как ЛИГВО зафиксировала гравитационные волны, у нас не было прямых доказательств их существования.

Это базовое научное исследование чистой воды. Какие существуют виды черных дыр и малых звездных систем? Где они располагаются внутри галактик?

Первое явление ЛИГВО — которое так взволновало Афшорди в сентябре 2015 года — было знаменательным, и не только потому что оно случилось всего через пару дней после так долго планируемого служебного апгрейда. Он выделялся еще и потому, что сливающиеся черные дыры были очень тяжелыми, их массы, по оценкам ученых, составляли 29 и 36 масс Солнца. «Многие люди не ожидали, что у черных дыр будут такие большие массы», — поясняет Офек Бирнхольц, член группы ЛИГВО по сотрудничеству в области малого двойного столкновения и физик в немецком Институте Макса Планка. Ослепительно яркий сигнал вместе с открытостью сотрудничества по вопросам обмена информацией стал вдохновением для ученых в других сообществах, которые, как и Афшорди, в настоящее время ищут способы использовать новые открытия в своей работе.

26 декабря 2015 года ЛИГВО зафиксировало второе явление. После многих лет медленного прогресса и ложных стартов эра астрономии гравитационных волн официально началась. «Некоторые из моих коллег-физиков ушли из астрономии гравитационных волн», — делится Бирнхольц и добавляет, усмехаясь: «а теперь возвращаются, потому что снова всё зашевелилось». Это неисследованная территория, базовое научное исследование чистой воды. Какие существуют виды черных дыр и малых звездных систем? Где они располагаются внутри галактик? Что гравитационные волны расскажут нам об их происхождении? Если нейтронная звезда сливается с черной дырой, что можно узнать о материи в таких экстремальных условиях? Ведут ли черные дыры себя так, как это предсказывают наши вычисления?

Теория Афшорди о черных дырах и темной материи — еще один пример того, какие типы вопросов теперь возможны. Море нераскрытой информации по всему миру ждет своего часа.

Через несколько дней после того, как результаты Афшорди появляются на открытом сервере arXiv.org, члены содружества ЛИГВО изучают его анализ. Всего через пару недель они публикуют ответ, рецензируют методологию и запрашивают применение различных статистических инструментов. Бирнхольц является автором одной из таких рецензий.

Утверждение теории Афшорди удивило Бирнхольца: «У меня не было никаких суждений о том, должны или не должны быть эхо. Это раздел физики, в котором можно только строить догадки. Но я поработал с данными ЛИГВО, моя интуиция мне четко показывает, что ее размах, скорее всего, недостаточен, чтобы утверждать наличие такой значимости на данной стадии». У Бирнхольца есть предложения по улучшению анализа, но он хочет избежать заявлений о вероятности подтверждения результатов. Алекс Нильсен, еще один член проекта ЛИГВО и один из соавторов Бирнхольца также отмечает необходимость быть осторожными: «Как члены проекта ЛИГВО, мы должны быть очень осторожными касательно официальных заявлений, которые делаются без согласия всех участников. Но информация опубликована и люди могут делать с ней что хотят».

Проект ЛИГВО имеет открытый научный центр, где в публичном доступе находится информация, записанная в течение часа в диапазоне подтвержденных гравитационных явлений. «Люди могут свободно использовать ее и обращаться к нам с любыми вопросами. Если они находят что-то интересным, то могут поделиться своим мнением с нами, и мы вместе будем работать над этим. Это часть научного опыта», — убежден Бирнхольц.

Проект включает несколько тысяч участников и академических учреждений по всему миру. Они встречаются дважды в год; самое недавнее собрание имело место в Пасадене, штат Калифорния. В настоящий момент некоторые члены проекта пытаются воссоздать анализы Афшорди. Бирнхольц ожидает, что на эти попытки уйдет несколько месяцев. Он предупреждает: «Результат может разочаровать. Не потому, что покажет, что эхо нет, а потому, что мы не сможем доказать, есть ли оно». Астрономия гравитационных волн — все еще наука в зародышевой стадии, и много данных еще только ждут своего часа. По оценкам членов проекта, к завершению третьего наблюдательного пробега в 2018 году, ЛИГВО скорее всего обнаружит 40 высокоточных слияний черных дыр. Каждое из них позволит еще раз проверить теорию Афшорди.

Ввиду того, что они взаимодействуют так слабо и выделяют так мало энергии, когда проходят мимо, гравитационные волны невероятно сложно измерить. Вызываемая ими деформация крохотна, и для выявления ясного сигнала необходима предельная осторожность. Используемый проектом порог обнаружения — сигма 5, что соответствует вероятности менее, чем один шанс из трех миллионов, что сигнал был совпадением, что намного выше уровня сигнала Афшорди. Однако слабое взаимодействие гравитационных волн также делает их прекрасными мессенджерами. В отличие от световых частиц, они практически не подвергаются воздействию на пути к нам, и несут нетронутую информацию о том, где и как они были сгенерированы. Это позволяет проводить тестирования общей относительности совершенно новой точности, в никогда до этого не исследованном режиме.

Если подтвердится наличие эхо черных дыр, это практически стопроцентно продемонстрирует решительное отклонение от теории общей относительности. Обнаружение черных дыр не подтвердит однозначно теорию Афшорди, о том что черные дыры являются источником темной энергии. Но для объяснения этого потребуется по-настоящему новая идея. «Во всех произведенных нами симуляциях я ни разу ничего не слышал о таких эхо. Если нам удастся зафиксировать его наличие, будет весьма интересно. Тогда нам нужно будет посмотреть, что могло вызвать такое явление», — отмечает Бирнхольц.

В случае, если статистическая значимость сигнала Афшорди увеличится, у него есть исследовательские планы. Он хочет улучшить свою модель слияний черных дыр и провести численное моделирование для поддержки аналитических расчетов того, как должны выглядеть эхо. Следующим шагом будет попытка лучше понять лежащую в основе теорию времени и пространства, которая могла вызвать подъем такого поведения на горизонте черных дыр. Также космологам хотелось бы намного тщательнее разобраться в этом новом объяснении темной энергии.

Афшорди понимает, насколько надуманно вот так менять общую относительность. Но у его революции есть цель: «Я хочу побудить людей мыслить открыто и не игнорировать идеи только потому, что они не соотносятся с их заранее сложившимися взглядами». Возможно, именно такие взгляды скоро будут проигнорированы, учитывая то, как ЛИГВО открывает творения Вселенной в никогда ранее невиданных масштабах.