Новая космическая модель покажет, что находится внутри сталкивающихся черных дыр

В исследовательской работе используются новые методы для анализа волн, которые излучают черные дыры при столкновении.

В 2015 году ученые впервые обнаружили гравитационные волны , пульсации пространства-времени, возникающие, когда крупные космические события, такие как столкновение и слияние двух черных дыр, разрушают космос. Наблюдение за этими волнами подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна, которая предсказывала, что такие волны возникнут, если пространство-время будет работать так, как он считал. За прошедшие семь лет было обнаружено почти 100 сливающихся черных дыр путем наблюдения за гравитационными волнами , которые излучают эти внеземные явления.

Теперь, благодаря новым исследованиям, возможность моделировать эти космические события стала более сложной. Группу из 14 исследователей возглавляли аспирант Калифорнийского технологического института и выпускник Колумбийского колледжа Киф Митман (CC’19), постдок Колумбийского университета Макарена Лагос, профессор Колумбийского университета Лам Хуи и профессор Университета Миссисипи Лео Стайн. Разработанная ими улучшенная модель прокладывает путь к более глубокому пониманию структуры сливающихся черных дыр.

В «Nonlinearities in Black Hole Ringdowns», новой статье, опубликованной в Physical Review Letters , команда описывает более сложный способ моделирования сигнала, излучаемого гравитационными волнами, путем включения в модели нелинейных взаимодействий. Этот метод моделирования позволит ученым лучше понять структуру того, что происходит внутри черных дыр, а также поможет проверить, правильно ли общая теория относительности Эйнштейна описывает поведение гравитации в экстремальных астрофизических условиях.

«Это большой шаг в подготовке нас к следующему этапу обнаружения гравитационных волн, который углубит наше понимание гравитации и этих невероятных явлений, происходящих в дальних уголках космоса», — Лагос, соавтор статьи, сказал.

Исследование проводится в подходящее время: в марте этого года LIGO , обсерватория, которая впервые обнаружила гравитационные волны, будет включена для сбора новых наблюдений за событиями, происходящими в дальних уголках космоса. Обсерватория не работает с 2020 года, когда ее закрыли из-за пандемии. Ожидается, что несколько других крупных детекторов начнут собирать данные в ближайшие годы, что делает еще более важным наличие у них сложных моделей для интерпретации поступающей информации.

Соавтор Лам Хуэй использовал аналогию для описания информации, которую могут предоставить гравитационные волны: «Если я дам вам коробку и спрошу, что в ней, естественно будет встряхнуть ее. Это скажет вам, находятся ли внутри коробки конфеты или монеты. Это то, что мы пытаемся сделать с этими моделями, — получить представление о внутреннем содержании черной дыры, слушая звук, издаваемый при ее встряхивании». «Встряска» в случае с черными дырами — это разрушение, которое происходит при столкновении двух дыр и их слиянии. «Прислушиваясь к излучаемым ею гармоникам, мы можем оценить пространственно-временную структуру черной дыры».

Модели гравитационных волн, излучаемых после слияния двух черных дыр, на сегодняшний день включают только линейные взаимодействия, которые работают хорошо, предоставляя ценную информацию о структуре и содержании черных дыр. Однако эта новая модель может предложить 10-процентное улучшение общей точности моделей черных дыр, говорят авторы статьи.

Чтобы понять важность использования нелинейности для описания гравитационных волн, авторы описали волны в океане: волна, которая поднимается и падает, не выбрасывая воду в воздух, может быть описана линейным уравнением. Но волна, которая поднимается и разбивается, демонстрирует нелинейные взаимодействия: в то время как часть воды набухает на дне волны, другая вода одновременно разбивается влево, вправо, вверх и вниз в виде усиков и капель воды над ней. Нелинейная модель волны позволит вам понять, как и когда движется вся вода в волне, включая переносимые по воздуху капли. Гравитационные волны похожи на волны воды, и новая модель способна объяснить внеземной эквивалент дополнительных капель воды.

«Мы готовимся к тому моменту, когда мы будем детективами гравитационных волн, когда мы будем копать глубже, чтобы понять все, что мы можем об их природе», — сказал Стейн, один из авторов статьи.

ПолитАналитика