Разумеется, речь идет не о шевелюре — просто ученые так шутят. В астрофизике есть теорема об «отсутствии волос у черных дыр» (ее так назвали с легкой руки физика Джона Уилера, который, собственно, и придумал термины «черная дыра» и «кротовая нора»), и формулируется она достаточно просто: все черные дыры описываются решением уравнений Эйнштейна и могут характеризоваться только тремя классическими параметрами: массой, электрическим зарядом и скоростью вращения.

Вся остальная информация навсегда исчезает за горизонтом событий, так что если вы возьмете две черные дыры, для которых параметры выше будут одинаковыми, но одна из них состоит из материи, а другая из антиматерии, то для стороннего наблюдателя они будут идентичными, как два лысых человека издали (менее толерантный аналог — «все китайцы на одно лицо»).

Однако Стивен Хокинг считал, что некоторый «пушок на голове» у черных дыр все-таки есть — его роль играют фотоны с почти нулевой энергией, благодаря которым часть информации все-таки просачивается из этих самых странных объектов во Вселенной наружу. Но, увы, как показали последние эксперименты, великие люди тоже ошибаются.

В 2017 году гравитационная волна от столкновения черных дыр пронеслась через Землю. Она растягивала и сжимала каждого человека, муравья или научный инструмент на планете. Разумеется, она была далеко не первой в своем роде — массивные объекты сталкиваются по всей Вселенной постоянно, однако она стала первой, которую исследователи смогли изучить с помощью прибора LIGO (лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории) и обнаружить скрытые данные, которые и позволили подтвердить «безволосую» теорему.

File:First gravitational waveform ever seen, PhysRevLett.116.061102.pdf
Первый зафиксированный гравитационный сигнал, обнаруженный детекторами в Хэнфорде и Ливингстоне в 2015 году.

«Эта безволосость делает чёрные дыры резко отличными от почти всех других объектов во вселенной», — сказал Максимилиано Иси, физик из Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования. Например, когда звенит настоящий колокол, он испускает звуковые волны и некоторые незаметные, невероятно слабые гравитационные волны. Черные дыры тоже «звенят» при серьезных взаимодействиях — например, столкновениях.

При этом все колокола, даже отлитые из одной формы, все-таки слегка различаются (например, где-то могут быть пустоты в материале), и это различие зачастую можно уловить на слух или специальными приборами. Этот принцип должен работать и с черными дырами: если они не являются «лысыми», то различия между ними можно будет обнаружить, слушая их гравитационный «звон».

«Секрет всего этого исследования заключается в том, что форма волны — модель этого растяжения и сжатия — кодирует информацию об источнике, о том, что создало эту гравитационную волну», — говорит Иси. И астрономы, изучающие волну 2017 года, немало узнали о столкновении черных дыр, которое породило ее.


Детектор LIGO.

Но эта первая запись была слабой и не очень подробной. LIGO, лучший в мире детектор гравитационных волн, использует лазеры для измерения расстояния между зеркалами, разнесенными на 4 километра друг от друга в Г-образной лаборатории в штате Вашингтон. К слову, Virgo, схожий детектор, расположенный в Италии, также уловил эту волну, но, к сожалению, он проще устроен и не смог помочь в точном эксперименте Иси.

Когда волна прошла через LIGO, она деформировала само пространство-время и крайне незначительно изменила расстояние между зеркалами. Настолько незначительно, что созданные специально для ее регистрации детекторы с трудом справились с задачей. «Похоже, мы слушаем с очень большого расстояния», — сказал Иси.

Но все же было собрано достаточно много информации. Сверхмассивная черная дыра, образованная при столкновении более мелких, вела себя как и ожидалось. По словам Иси, не было никаких очевидных доказательств того, что у нее отсутствовал горизонт событий, и она не отклонялась от теоремы об отсутствии волос.

Однако исследователи не могли быть полностью уверены во многих важных аспектах, в том числе и в подтверждении «безволосой» теоремы. В момент слияния черных дыр амплитуда гравитационной волны была максимальна — то есть, ее проще всего было обнаружить и изучить, говорит Иси. После образования сверхмассивной черной дыры она некоторое время еще продолжала звенеть (полная аналогия с колоколом), отправляя свою избыточную энергию в космос в виде гравитационных волн: то, что астрофизики называют процессом «послезвона».

В то время исследователи, просматривавшие данные LIGO, обнаружили только одну форму сигнала в послезвоне. Ученые думали, что потребуются десятилетия для разработки инструментов, достаточно чувствительных, чтобы воспринимать любые более тихие обертоны в этом звоне. Но один из коллег Иси, Мэтт Гислер, физик из Калифорнийского технологического института, выяснил, что сразу после столкновения был короткий период, когда звон был настолько интенсивным, что LIGO смог записать больше деталей, чем ожидалось. В эти моменты волна была достаточно «громкой», чтобы LIGO уловил обертон — вторую волну на другой частоте, очень похожую на призвуки в звуковом спектре колокола.

В музыкальных инструментах обертоны несут очень важную часть информации об их звучании, которая, собственно, и позволяет их различать — иными словами, именно обертоны позволяют вам отличить скрипку от пианино, играющих одну и ту же ноту. То же самое относится и к обертонам гравитационной волны, говорит Иси. И этот недавно обнаруженный обертон рассказал много нового о звенящей черной дыре.

По его словам, новые данные показали, что получившаяся черная дыра очень близка к «безволосой». Теорема об отсутствии волос может быть использована для предсказания того, как будет «звучать» гравитационный обертон; Иси и его команда показали, что полученный LIGO обертон в значительной степени соответствует этому прогнозу. Правда, запись обертона была не очень ясной, поэтому некоторое отличие от теории — примерно на 10% — все еще может быть.

По его словам, чтобы достичь необходимого уровня точности, необходимо или извлечь более четкий обертон из записи гравитационной волны, породившей новую сверхмассивную черную дыру, или же построить более чувствительный инструмент, чем LIGO. «Физика становится все точнее и точнее», — говорит Иси. «Но вы никогда не можете быть уверены, что достигли предела точности».



Также нельзя исключать ту возможность, что сигнал от обертона не является реальным, а произошел случайно из-за какого-либо сбоя в записи или получении данных. Команда Иси сообщила о «3,6σ уверенности» в существовании обертона. Это означает, что есть шанс 1 к 3600, что обертон не является истинным сигналом от черной дыры.

По словам Иси, по мере совершенствования инструментов и обнаружения большего количества гравитационных волн все расчеты будут уточнены. Детектор LIGO уже прошел модернизацию в этом году, благодаря которой обнаружение столкновений черных дыр и даже нейтронных звезд стало вполне обычным делом. 

По данным Physics World, очередной апгрейд, запланированный на середину 2020 года, должно повысить его чувствительность в десять раз. А после запуска Лазерной интерферометрической космической антенны (LISA) в середине 2030-х годов некоторые астрономы надеются получить уже безоговорочное подтверждение «безволосости» черных дыр. 

Однако Иси настроен менее оптимистично: по его словам, всегда возможно, что черные дыры не являются полностью «лысыми» — у них может быть какой-нибудь квантовый «пушок на голове», который слишком «мягкий и короткий» для наших инструментов.