Слияния чёрных дыр проверяют пределы общей теории относительности

Открытия, сделанные сетью LIGO–Virgo–KAGRA (LVK) после первого обнаружения гравитационных волн LIGO от пар сталкивающихся чёрных дыр. 

Credit: LIGO / Caltech / MIT / R. Hurt (IPAC)

Brian Koberlein, Universe Today, 29 марта 2026 года

Общая теория относительности остаётся одной из фундаментальных теорий современной физики. Её необычное представление о пространстве и времени подтверждено множеством экспериментов и наблюдений — от эффекта увлечения инерциальных систем до излучения гравитационных волн. Однако есть основания полагать, что это не окончательное описание природы пространства и времени.

Одна из главных причин — ОТО перестаёт работать на очень малых масштабах. Мир атомов и молекул подчиняется квантовой механике, тогда как ОТО — классическая теория. Нам необходима квантовая теория гравитации. Существует множество таких моделей, но они часто предполагают альтернативные законы гравитации: совпадающие с ОТО в слабых полях, но отличающиеся в сильных. До недавнего времени их предсказания было невозможно проверить наблюдательно. Однако ситуация начинает меняться, как показывают недавние работы.

В трёх исследованиях анализируются данные четвёртого наблюдательного цикла LIGO–Virgo–KAGRA — самого современного набора наблюдений слияний чёрных дыр. Первая работа сравнивает данные с предсказаниями ОТО в целом. Вторая исследует так называемые постньютоновские параметры — способ искать отклонения от ОТО. Третья сосредоточена на стадии «затухания» (ringdown), когда новая чёрная дыра после слияния приходит в устойчивое состояние.

Как и ожидалось, все результаты подтверждают ОТО. Первая работа показала, что в пределах точности наблюдений теория отлично согласуется с данными — необходимости в альтернативных моделях нет. Хотя некоторые альтернативные теории тоже могут описывать наблюдения, оснований считать их верными пока нет.

Вторая работа ещё сильнее ограничила возможные альтернативы. В постньютоновском подходе анализируется отклонение от ньютоновской гравитации через набор параметров. Данные оказались достаточно точными, чтобы проверить дипольные и квадрупольные члены — и отклонений от ОТО не обнаружено. Это исключает модели, предсказывающие, например, изменения квадрупольного излучения.

Интересно, что такие приближения допускают квантование, поэтому работа также даёт новое экспериментальное ограничение на массу гравитона. Согласно ОТО и квантовой теории, гравитон должен быть безмассовым, как фотон. Новые результаты показывают, что его масса должна быть меньше 2 × 10⁻²³ эВ/c². Для сравнения, верхний предел массы фотона в физике частиц составляет 10⁻¹⁸ эВ/c².

Третья работа проверяла предсказание некоторых альтернативных теорий о «гравитационных эхо». Согласно им, после затухания основного сигнала слияния должен появляться второй всплеск гравитационных волн. В рамках ОТО такие эффекты невозможны, поэтому их обнаружение означало бы её неполноту. Однако никаких признаков таких эхо найдено не было.

Эти результаты не являются неожиданными — ОТО уже многократно подтверждалась ранее. Но главное здесь не в том, что теория Эйнштейна снова оказалась верной. Важно то, что теперь у нас есть данные гравитационных волн достаточного качества, чтобы проверять ОТО в экстремальных условиях — вблизи чёрных дыр. И всё это — всего за десятилетие наблюдений. В ближайшие десятилетия гравитационно-волновая астрономия даст нам данные, необходимые для настоящего исследования пределов гравитации.

Домашнее чтение:

📖

1. https://dx.doi.org/10.48550/arxiv.2603.19019

2. https://dx.doi.org/10.48550/arxiv.2603.19020

3. https://dx.doi.org/10.48550/arxiv.2603.19021