Столкновение с черной дырой навсегда изменит пространство-время

Согласно общей теории относительности, каждая гравитационная волна должна оставлять постоянный отпечаток на структуре пространства-времени; она должна непрерывно деформировать пространство. Однако этот "эффект памяти", предсказанный теорией, так и не был подтвержден, и с момента первого обнаружения гравитационных волн в 2016 году физики пытаются найти способ его измерить.

Исследуя связи между материей, энергией и пространством-временем, физики надеются лучше понять информационный парадокс черной дыры Стивена Хокинга, который находится в центре теоретических исследований на протяжении пяти десятилетий. "Существует тесная связь между эффектом памяти и симметрией пространства-времени. В конечном итоге это связано с потерей информации в черных дырах, очень глубокой проблемой в структуре пространства и времени", — сказал Кип Торн, физик из Калифорнийского технологического института, со-лауреат Нобелевской премии по физике 2017 года за работу над гравитационными волнами.

Когда в середине 1970-х годов Стивен Хокинг предположил, что черные дыры могут испаряться, очень медленно, пока не исчезнут, возникла проблема: что происходит с тем, что было поглощено? Это известно как информационный парадокс. Общая относительность подразумевает, что информация может в принципе исчезнуть в такой черной дыре, но эта потеря подразумевает необратимость и неунитарную эволюцию квантовых состояний, что противоречит постулатам квантовой механики.

Симметрии, скрытые в пространстве-времени

Почему гравитационная волна навсегда изменила структуру пространства-времени? Это из-за тесной связи, которую устанавливает общая теория относительности между пространством-временем и энергией. Когда гравитационная волна проходит перед детектором гравитационных волн LIGO, она мешает лазерным лучам, которые проходят через два огромных плеча установки (которые образуют L). Если мы представим себе круг, описывающий два плеча (центр круга находится на их пересечении), гравитационная волна будет периодически деформировать этот круг, сжимая его последовательно по вертикали, а затем по горизонтали, пока волна не пройдет. Это искажение вызывает крошечную разницу в длине между двумя плечами детектора, которая отражает прохождение волны.

Но при использовании эффекта памяти круг должен оставаться слегка искаженным. Объекты, обнаруженные LIGO, находятся так далеко, что их гравитационное притяжение пренебрежимо мало; но гравитационная волна имеет больший радиус действия, чем сила гравитации. То же самое относится к свойству, ответственному за эффект памяти: гравитационному потенциалу. Последняя соответствует количеству энергии, которую объект получил бы при падении с определенной высоты — скорость объекта при достижении им земли позволяет оценить потенциальную энергию, приобретенную во время падения.

В рамках общей теории относительности, где пространство-время растягивается и сжимается в разных направлениях при движении тел, потенциал диктует не только потенциальную энергию в данном месте: он также определяет форму пространства-времени. Энергия проходящей гравитационной волны создает изменение гравитационного потенциала, и это искажает пространство-время даже после прохождения волны. "Память — это не что иное, как изменение гравитационного потенциала, но это релятивистский гравитационный потенциал", — объясняет Торн.

Возможности деформации бесконечны, но, что более важно, они эквивалентны друг другу по энергии. Поэтому, когда излучается гравитационная волна, она переводит пространство-время из одной конфигурации в другую так, что оно остается в состоянии с наименьшей энергией. Это говорит о наличии скрытых симметрий в структуре пространства-времени.

Возможное решение информационного парадокса

В 1960-х годах в контексте исследования общей теории относительности, рассматривая гипотетическую область, бесконечно удаленную от всей массы и энергии во Вселенной, физики выделили бесконечный набор симметрий в дополнение к ожидаемым (трансляционная, вращательная и симметрия импульса). Эти новые так называемые "супертрансляционные" симметрии указывают на то, что отдельные участки пространства-времени могут быть растянуты, сжаты и сдвинуты, а поведение в этой бесконечно удаленной области остается неизменным.

В 1980-х годах физик Абхай Аштекар обнаружил, что эффект памяти является физическим проявлением этих "суперсимметрий". Другими словами, супертрансляция — это то, что может привести к искажению пространства-времени. В 2016 году Стивен Хокинг и другие физики поняли, что горизонт черной дыры обладает такими супертрансляционными симметриями, поэтому логично, что существует соответствующий эффект памяти. Это означает, что падающие частицы могут изменять пространство-время в окрестностях черной дыры, тем самым изменяя ее информационное содержание. Знания о свойствах частиц не будут потеряны, но будут навсегда закодированы в ткани пространства-времени.

Однако ученые LIGO пока не наблюдали никаких доказательств эффекта памяти. Изменение расстояния между зеркалами детектора при прохождении гравитационной волны ничтожно мало (порядка одной тысячной ширины протона!), и эффект памяти должен быть в 20 раз меньше. Не говоря уже о том, что сейсмические шумы Земли значительно затрудняют выполнение задачи. Кроме того, гравитационное притяжение Земли стремится вернуть зеркала LIGO в исходное положение, стирая любые свидетельства деформации. Поэтому исследователи должны будут измерить смещение зеркал, вызванное эффектом памяти, прежде чем гравитация успеет на них повлиять.

Обнаружение эффекта памяти, связанного с одной гравитационной волной, не представляется возможным при нынешней технологии, но астрофизики придумали альтернативу: "Что можно сделать, так это эффективно сложить сигнал от нескольких слияний, чтобы накопить доказательства очень статистически строгим способом", — предлагает Пол Ласки из Университета Монаша в Австралии. Потребуется более 1000 гравитационно-волновых событий, чтобы можно было утверждать, что наблюдался эффект памяти. Но благодаря постоянному совершенствованию LIGO, а также вкладу других детекторов (включая Virgo и KAGRA), Ласки считает, что для достижения 1000 детекторов потребуется всего несколько лет.