Две чёрные дыры сливаются

Как две чёрные дыры сближаются по спирали, сотрясают само пространство и были услышаны на Земле 1,3 миллиарда лет спустя

Смотреть в 3D

Шаг за шагом

Пара чёрных дыр

Каждая — это остаток массивной звезды. Горизонт большей около 210 км в поперечнике, меньшей — около 170 км, не шире города; и всё же вокруг каждой свет звёзд позади изгибается в дуги и кольца. Как две такие дыры оказываются вместе, всё ещё спорят: возможно, они родились парой звёзд-гигантов или встретились в тесном звёздном скоплении.

Снаружи их ничто не толкает. Их орбита теряет энергию на рябь, которую она поднимает в самом пространстве, и поэтому сжимается — сначала медленно, потом всё быстрее. На таком расстоянии им осталось около пятидесяти минут.

Рябь пространства

Кружась, они сотрясают само пространство. Гравитационные волны расходятся со скоростью света, растягивая пространство в одном направлении и сжимая в другом, дважды за оборот.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказала эти волны в 1916 году. Их излучает любая масса, меняющая своё движение, но заметно сильные волны дают лишь огромные массы, движущиеся очень быстро. Здесь они нарисованы в плоскости орбиты: золотом там, где пространство растянуто, и синим, где оно сжато; каждая часть показывает, что делала пара, когда эта часть волны отправилась в путь.

Волны уносят энергию, и она берётся из орбиты. И всё же даже в миллионе километров они растягивают пространство лишь примерно на одну миллионную. Эти медленные волны, поднимающиеся и опадающие примерно раз в секунду, слишком медленны для любого детектора на Земле.

Всё быстрее и быстрее

Время ускорено: сжимаясь, орбита ускоряется, а волны становятся сильнее. За последние пятьдесят минут дыры сближаются с 10 000 км примерно до 900, делая 17 оборотов в секунду.

Чем ближе дыры, тем быстрее они движутся и тем сильнее волны, которые они излучают, — поэтому орбита теряет энергию ещё быстрее. Спираль разгоняется сама собой: большая часть этих пятидесяти минут уходит на широкие медленные витки, а последняя тысяча километров занимает меньше трети секунды.

Частота волн вдвое больше числа оборотов орбиты в секунду. Когда она превышает примерно 30 колебаний в секунду — достаточно для детекторов LIGO, — дыры движутся друг относительно друга со скоростью в треть скорости света.

Последняя пятая доля секунды

Замедлено примерно в семьдесят раз: за последнюю пятую долю секунды дыры делают ещё пять оборотов и сближаются примерно до 320 км, двигаясь быстрее половины скорости света.

Именно эту часть волн услышал LIGO: около десяти колебаний за пятую долю секунды, частота растёт примерно с 35 до 150 колебаний в секунду, а сила всё время нарастает. Превращённый в звук, сигнал взмывает вверх, как птичья трель, и учёные так его и называют — «чирп».

Так близко друг к другу дыры искривляют пространство настолько сильно, что простые формулы спирали перестают работать. Проследить их до конца могут только суперкомпьютеры, решающие уравнения Эйнштейна. Массы, 36 и 29 Солнц, учёные нашли, сравнив измерения LIGO с тысячами таких моделей.

Из двух — одна

Горизонты соприкасаются и сливаются. Масса трёх Солнц уже превратилась в гравитационные волны, большая часть — за последнюю пятую долю секунды; на пике они несут больше мощности, чем все звёзды наблюдаемой Вселенной.

На пике волны уносят около 3,6 × 10⁴⁹ ватт — примерно в пятьдесят раз больше, чем свет всех звёзд наблюдаемой Вселенной вместе взятых, хотя лишь в течение нескольких тысячных долей секунды. В итоге из 36 и 29 Солнц получилась дыра в 62: недостающие три ушли волнами.

Само слияние нарисовано здесь упрощённо. Моделирование на суперкомпьютерах показывает, что происходит на самом деле: два горизонта соединяются в один, неровный, который быстро обретает форму. И всё это время не вырывается ничего, кроме волн: две чёрные дыры, сливающиеся в пустом пространстве, не испускают никакого света.

Одна чёрная дыра

Остаётся одна чёрная дыра в 62 Солнца, её горизонт вращается примерно 100 раз в секунду. Она прозвенела, как колокол от удара, примерно на 250 колебаниях в секунду и почти сразу затихла.

Этот звон — новый горизонт, принимающий форму. Его частота и то, как быстро он затухает, зависят только от массы и вращения дыры, как и предсказывает общая теория относительности, и услышанное LIGO с этим совпадает.

Стивен Хокинг показал в 1971 году, что суммарная площадь горизонтов чёрных дыр никогда не может уменьшиться. Здесь у двух горизонтов было вместе около 230 000 км², а у нового — около 370 000 км², больше, хотя три Солнца массы были потеряны. В 2025 году более громкое слияние, GW250114, подтвердило это яснее, чем когда-либо.

Во Вселенную

Волны мчатся прочь со скоростью света, слабея по мере того, как расходятся. Чуть больше чем за секунду они проходят расстояние от Земли до Луны, за восемь минут — от Земли до Солнца.

Их сила падает в той же мере, в какой растёт расстояние: в десять раз дальше — в десять раз слабее. В отличие от света, они проходят сквозь звёзды, газ и пыль, будто их нет, и приходят такими же, какими ушли, только слабее.

Они летели 1,3 миллиарда лет. Когда они отправились в путь, жизнь на Земле была ещё почти вся одноклеточной. По дороге Вселенная расширилась и растянула их вместе с собой: они пришли на 9% длиннее и ниже по тону, чем ушли, и учёные учитывают это, вычисляя массы.

LIGO слышит

14 сентября 2015 года в 09:50:45 UTC волны прошли через Землю со стороны южного неба. Детектор LIGO в Ливингстоне (Луизиана) почувствовал их первым, детектор в Хэнфорде (Вашингтон), в 3000 км от него, — на 7 тысячных долей секунды позже.

Каждый детектор LIGO — это буква L из двух плеч длиной 4 км, по которым туда и обратно бежит лазерный свет. Проходящая волна растягивает одно плечо и сжимает другое; на пике длина плеч изменилась примерно на тысячную долю ширины протона, и LIGO это измерил.

Поскольку волны движутся со скоростью света, 7 мс между детекторами поместили источник на кольцо в южном небе; большего два детектора сказать не могли. В Америке была ночь: 4:50 утра в Луизиане. Здесь время идёт примерно в шестьдесят раз медленнее.

Сотни других

Гравитационные волны удалось зарегистрировать впервые — через сто лет после того, как их предсказал Эйнштейн. К 2025 году детекторы услышали около 300 слияний чёрных дыр — по одному каждые несколько дней.

Это открытие принесло Райнеру Вайссу, Барри Бэришу и Кипу Торну Нобелевскую премию по физике 2017 года. Теперь LIGO слушает вместе с Virgo в Италии и KAGRA в Японии: с тремя детекторами и больше источник на небе можно найти гораздо точнее.

Самая тяжёлая из услышанных пар, GW231123, дала чёрную дыру примерно в 225 Солнц. В 2017 году услышали столкновение двух нейтронных звёзд, а затем телескопы поймали свет взрыва, в котором куются тяжёлые элементы, такие как золото.