GW250114 — гравітаційна хвиля від злиття чорних дір, виявлена LIGO 14 січня 2025 року. На момент реєстрації вона стала найчіткішим гравітаційно-хвильовим сигналом, зі співвідношенням сигнал/шум (SNR) близько 77–80, що набагато чіткіше, ніж SNR=42 для попереднього найкращого спостереження гравітаційної хвилі (GW230814). Воно визначило (з рівнем значущості 4,1 σ) перший обертон розв'язку Керра для обертової чорної діри. Результати були підтверджені в науковій статті у вересні 2025 року.

Відкриття є емпіричним підтвердженням теореми про площу, сформульованої Стівеном Гокінгом у 1971 році. Вона стверджує, що хоча чорні діри втрачають енергію через гравітаційні хвилі та змінюють кутовий момент (спін), що може зменшувати площу поверхні, сумарна площа поверхонь двох чорних дір після злиття має збільшуватися або принаймні не зменшуватися.

Історія

Спостережний цикл LIGO O4 LIGO чергує спостережні цикли й модернізацію обсерваторії. Кожен цикл зазвичай поділяють на два або три підцикли для виконання менших технічних доопрацювань. Четвертий спостережний цикл (O4) складався з фаз з 24 травня 2023 року до 16 січня 2024 року (O4a), потім з 10 квітня 2024 року до 28 січня 2025 року (O4b), а потім 11 червня 2025 року до 18 листопада 2025 року (O4c). GW250114 зафіксували наприкінці підциклу O4b.

Виявлення та базовий аналіз 14 січня 2025 року обидва інтерферометри LIGO (один у Генфорді, Вашингтон, і другий у Лівінгстоні, Луїзіана) працювали, тоді як інтерферометри їхніх партнерів Virgo та KAGRA — ні. Невдовзі після 08:22:03 UTC інтерферометри LIGO зареєстрували майже ідентичні сигнали гравітаційних хвиль, які мали відношення сигнал/шум понад 10σ.

Сигнал відповідав злиттю двох чорних дір: одна масою , інша — , із сумарною масою після злиття . Вивільнена енергія становила c2.

Обидві чорні діри мали малий спін — не більш як приблизно від максимально можливого. Спін після злиття становив від максимального значення.

Зменшення шуму

Вимірювання GW250114 має відношення сигнал/шум (SNR) 80 — його досягли завдяки поєднанню рекордних значень SNR обох детекторів LIGO; воно значно перевищує SNR=26 для першого спостереження гравітаційних хвиль (GW150914) десятиліттям раніше. Зменшення шуму полегшує відкриття нових злиттів чорних дір і дає змогу отримувати детальніші дані, що поглиблюють знання про фундаментальні властивості чорних дір.

Коли нова чорна діра стабілізується, вона випромінює затухаючі гравітаційні хвилі — етап, який називають «рингдауном». За частотою та швидкістю затухання двох гармонік сигналу (обертонів) можна безпосередньо визначити масу й спін чорної діри. Якщо для значно слабшого сигналу 2015 року під час рингдауну вдалося виділити лише одну гармоніку, то для GW250114 — завдяки значно вищому SNR — дослідники змогли розрізнити більше гармонік.

Значення

Ранніші спостереження Попередні спостереження злиттів чорних дір, починаючи від першого виявленого злиття чорних дір 2015 року й надалі, узгоджуються з теоремою про відсутність волосся та теоремою Гокінга про площу. Однак низьке відношення сигнал/шум цих сигналів не дозволяло зробити точніші висновки. Підвищення відношення сигнал/шум для LIGO дало змогу перейти до фактичного підтвердження цих теоретичних передбачень.

Унікальність чорних дір

Чорні діри, як їх описує загальна теорія відносності Айнштайна, повністю характеризуються своєю масою, кутовим моментом (спіном) і електричним зарядом. Маси чорних дір вимірюють у масах Сонця, або сонячних масах. Безрозмірний параметр спіну лежить у межах від 0 до 1, де 0 означає відсутність кутового моменту, а 1 — максимально можливий кутовий момент для даної маси. Вважають, що астрофізичні чорні діри загалом електрично нейтральні, тобто їхній заряд дорівнює нулю. Якщо заряд і спін дорівнюють нулю, чорну діру описує метрика Шварцшильда з одним вільним параметром — масою. Якщо лише заряд дорівнює нулю, чорну діру описує метрика Керра, яка залежить від двох параметрів: маси та спіну. Твердження, що чорну діру повністю визначають її маса, спін і заряд, відоме як теорема про відсутність волосся.

Натомість гравітаційне поле нейтронної зорі чутливе до точної внутрішньої структури нейтронної речовини та навіть до крихітних «гір» (висотою кілька сантиметрів), які випромінювали б гравітаційні хвилі, якби нейтронна зоря оберталася («гравітаційний пульсар»).

Відхилення від цього можливі, але лише за екстремальних умов. Однією з таких ситуацій є зіткнення й злиття подвійної системи чорних дір. У проміжку від безпосередньо перед зіткненням до невдовзі після злиття геометрія простору-часу є складною, але швидко випромінює будь-які відхилення від сферичної форми у вигляді гравітаційних хвиль і переходить до стану чорної діри без «волосся» (так звана теорема ). Як і всі хвилі, їх можна описати через основну частоту з додатковими високочастотними, меншими за амплітудою обертонами.

Теорема Гокінга про площу

Хоча з 2005 року стало можливим обчислювати перебіг будь-якого конкретного злиття (методами чисельної відносності, розробленими та іншими), аналітичного розв'язку у вигляді замкненої формули досі не існує. Унаслідок цього багато властивостей чорної діри після злиття виводять із чисельних симуляцій, але їх не можна строго довести математично. У 1970-х роках Роджер Пенроуз і Стівен Гокінг отримали математичні доведення, що описують один із аспектів об'єднаної чорної діри, який випливає з рівнянь поля Айнштайна. Зокрема, хоча динаміка злиття чорних дір є складною (наприклад, частина енергії випромінюється у вигляді гравітаційних хвиль, а збільшення спіну після злиття може зменшувати площу поверхні), Гокінг математично довів, що сумарна площа поверхні чорної діри після злиття має зростати або принаймні не зменшуватися. Ця властивість відіграє ключову роль у сучасних спробах побудувати теорію квантової гравітації.

Тоді як сумарна площа поверхонь двох чорних дір становила близько квадратних кілометрів (приблизно як площа Лівобережної України), площа фінальної чорної діри сягнула близько квадратних кілометрів (більше за площу Правобережної України).

Результати аналізу даних

Гравітаційно-хвильова астрономія ґрунтується на зіставленні сигналів, зареєстрованих інтерферометром, із розрахованими формами сигналів, що моделюють злиття чорних дір або інші сценарії випромінювання грпавітаційних хвиль. Зокрема, LIGO та VIRGO істотно обмежили неайнштайнівські теорії гравітації. Виявлення все нових деталей, передбачених теорією Айнштайна, розглядають як сильне підтвердження цієї теорії. До GW250114 вже спостерігали багато злиттів чорних дір і підтвердили з їхньою допомогою загальні властивості чорних дір у межах загальної теорії відносності. Модернізації LIGO для циклу O4 підвищили точність виявлення сигналів, що, своєю чергою, дало змогу точніше аналізувати форми гравітаційно-хвильових сигналів. Існували натяки на керрівські обертони, але похибки вимірювань не дозволяли зробити однозначні висновки.

Сигнал GW250114 виявився достатньо потужним, щоб із високою впевненістю зафіксувати перший керрівський обертон, а також частково — вищі обертони. Також була надійно підтверджена теорема Гокінга про площу, яка в цьому випадку стверджує, що площа після злиття перевищує суму площ двох початкових чорних дір. Подальший аналіз зменшив похибки вимірювань і ще сильніше обмежив можливі відхилення від передбачень загальної теорії відносності.

GW250114 надає переконливі свідчення того, що чорні діри точно описуються загальною теорією відносності. На момент відкриття це було найчіткіше зафіксоване злиття чорних дір.

Примітки