Столкновения черных дыр могут посылать волны через пространство-время

Ткань пространства и времени морщинистая и деформированная. Гравитация натягивает эту ткань, вызывая вмятины и извивы, некоторые из которых наблюдаются человеком как гравитационные волны. Когда две черные дыры, нейтронные звезды или другие чрезвычайно массивные объекты сталкиваются друг с другом, они излучают эти волны, которые впервые были услышаны революционным экспериментом LIGO в 2016 году.

После первого обнаружения семь лет назад физики решили, что их математические модели достаточно хорошо описывают данные. Теперь же физики установили, что гравитационные волны, испускаемые при столкновении двух черных дыр, более сложны, чем считалось ранее. Два новых исследования из Калифорнийского технологического института и Университета Джона Хопкинса, опубликованные 22 февраля в Physical Review Letters с совпадающими результатами, используют компьютерные модели для выявления так называемых нелинейных эффектов при столкновениях черных дыр, при которых гравитационные волны влияют друг на друга, как волны на берегу.

"Нелинейные эффекты - это то, что происходит, когда волны на пляже вздымаются и разбиваются", - сказал Киф Митман, астроном Калтеха и ведущий автор одного из исследований, в пресс-релизе. "Волны взаимодействуют и влияют друг на друга, а не скачут сами по себе. При таком бурном слиянии черных дыр мы ожидали таких эффектов, но до сих пор не наблюдали их в наших моделях".

Эти новые исследования изучают конкретную часть процесса слияния черной дыры и черной дыры, известную как "рингдаун", поскольку она напоминает вибрацию ударяемого колокола. Когда черные дыры сталкиваются, они временно образуют одну комковатую и нестабильную большую черную дыру, которая должна успокоиться и принять простую, круглую форму. Это оседание и смещение высвобождает гравитационные волны, которые и образуют звонок. Поскольку математика, описывающая этот процесс, громоздка, в предыдущих работах предполагалось, что гравитационные волны не взаимодействуют друг с другом.

Но новая работа рассматривает эти сложные события и обнаруживает, что волны на самом деле влияют друг на друга. В компьютерных симуляциях группа из Калтеха смоделировала, что происходит, когда две черные дыры сталкиваются на орбитах, не являющихся идеальными кругами, а группа из Джонса Хопкинса столкнула две черные дыры лоб в лоб почти со скоростью света. Оба эти сценария являются особенно энергичными, что приводит к нелинейности, которую они ожидают увидеть.

Чтобы объяснить, почему энергетические столкновения приводят к такому результату, Митман сравнивает их с двумя людьми на батуте. Два прыгуна, которые мягко подпрыгивают вверх и вниз, не должны сильно влиять друг на друга, как он указывает в пресс-релизе. "Но если один человек начинает подпрыгивать с большей энергией, то батут искажается, и другой человек начинает ощущать его влияние", - говорит Митман. "Это то, что мы подразумеваем под нелинейностью: два человека на батуте испытывают новые колебания из-за присутствия и влияния другого человека".

Без учета нелинейных эффектов физики могут ошибиться в размерах и других свойствах обнаруженных ими черных дыр, которых за последние несколько лет с помощью LIGO было обнаружено немало. Кроме того, эти детали являются ключевыми для обеспечения полного понимания законов физики, например, для проверки тонкостей общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

"Закольцовывание черных дыр - это отличная площадка для проверки теории относительности Эйнштейна", - говорит Сумит Кулкарни, астроном из Университета Миссисипи, не имеющий отношения к исследованию. "Но чтобы использовать рингдауны в качестве теста, необходимо полностью их понять. Это исследование делает нас на шаг ближе к такому пониманию".

Однако пока что нелинейность видна только в сфере суперкомпьютеров. Лучшие детекторы черных дыр человечества недостаточно чувствительны, чтобы заметить эти небольшие эффекты. Однако проекты будущих детекторов уже разрабатываются, и исследователи уже начинают строить планы на будущее.

"Очевидно, что следующим шагом будет оценка того, будут ли эти эффекты обнаруживаться в LIGO или детекторах следующего поколения", - говорит Марк Хо-Еук Чунг, физик и ведущий автор исследования Джона Хопкинса. Телескопы Cosmic Explorer и Einstein - это два предстоящих гравитационно-волновых эксперимента, которые, возможно, смогут выполнить эту работу". "Хотя перспективы многообещающие", - добавляет Чунг, - "нам все еще необходимо более точно определить, как и когда они будут обнаружены".

Пара симуляций не только проливает новый свет на тайны черных дыр, но и иллюстрирует красоту научного процесса: две группы ученых получают независимые результаты, дополняющие и поддерживающие выводы других. Как сказал Митман в интервью Popular Science, "я просто очарован тем, что у нас есть еще один прекрасный пример того, как теоретики и численные релятивисты объединились, чтобы открыть что-то захватывающее о том, как работают черные дыры".