Гравитационные волны и черные дыры: полный путь от прошлого к будущему

Гравитационные волны — это рябь пространства-времени, возникающая при катастрофических событиях, таких как слияние черных дыр или нейтронных звезд. Когда такая волна достигает массивного объекта, например черной дыры, она рассеивается: часть энергии поглощается, а часть уходит в космос. Однако до сих пор не существовало полного моделирования, которое бы охватывало весь путь волны — от ее зарождения в далеком прошлом до окончательного рассеяния в бесконечном будущем.

Традиционные симуляции ограничивались конечными областями пространства-времени, что не позволяло увидеть полную картину. Главная проблема заключалась в математической сложности учета бесконечно удаленных областей — так называемых нулевых бесконечностей. Это условные границы Вселенной, где гравитационные волны можно рассматривать как приходящие из бесконечного прошлого (прошлая нулевая бесконечность) или уходящие в бесконечное будущее (будущая нулевая бесконечность).

Исследователи под руководством профессора Йорга Фрауендинера разработали метод, который позволяет «сжать» бесконечность в конечную вычислительную область. Для этого они использовали обобщенные конформные уравнения поля Фридриха (GCFE) — математический аппарат, преобразующий бесконечные расстояния в удобную для расчетов форму.

Что происходит, когда гравитационная волна сталкивается с черной дырой?

С помощью специального программного пакета COFFEE (COnFormal Field Equation Evolver) ученые смоделировали взаимодействие гравитационных волн с черной дырой Шварцшильда (невращающейся черной дырой). Они рассмотрели волны разной амплитуды и изучили, какая часть их энергии поглощается дырой, а какая рассеивается обратно в космос.

Результаты оказались удивительными:

• Для слабых волн лишь около 8,5% энергии отражалось обратно, остальное поглощалось черной дырой.
• Для сильных волн доля рассеянной энергии возрастала, но не превышала 20%.

Это означает, что черные дыры — крайне «эффективные поглотители» гравитационных волн. Даже мощные возмущения пространства-времени почти полностью затягиваются их гравитацией.

Ключевым инструментом анализа стали энергия Бонди и новости Бонди — величины, описывающие гравитационное излучение на бесконечности. «Новости Бонди» показывают, есть ли вообще гравитационные волны, а энергия Бонди позволяет точно измерить, сколько энергии уносится из системы.

Неожиданные эффекты: квазинормальный звон и нелинейные волны

Один из самых интригующих результатов моделирования — обнаружение квазинормального звона черной дыры. Это затухающие колебания пространства-времени, возникающие после того, как гравитационная волна проходит через дыру. Частота этих колебаний зависит только от свойств самой черной дыры (ее массы и момента импульса), а не от характеристик исходной волны.

Кроме того, ученые обнаружили нелинейные эффекты: даже если входящая волна была простой, искривленное пространство-время черной дыры порождало дополнительные волновые моды. Это означает, что гравитационные волны могут «самовозбуждаться», создавая новые возмущения по мере распространения.

Почему это важно для астрономии?

Исследование имеет прямое отношение к современным гравитационно-волновым обсерваториям, таким как LIGO и Virgo. Эти детекторы регистрируют волны от слияния черных дыр, но до сих пор не было полного понимания, как именно эти волны взаимодействуют с другими черными дырами на своем пути.

Новый метод позволяет точно определить, какая часть энергии волны поглощается, а какая рассеивается. Это важно для интерпретации данных наблюдений и понимания эволюции двойных систем черных дыр.

Что дальше?

Несмотря на успех, перед учеными остаются открытые вопросы. Главная проблема — настройка входящей волны непосредственно на прошлой нулевой бесконечности. Сейчас волна задается на конечном расстоянии, что не идеально. В будущем исследователи планируют усовершенствовать метод, чтобы еще точнее моделировать глобальные свойства рассеяния.

Эта работа открывает новые горизонты в изучении гравитационных волн и черных дыр. Впервые ученые смогли проследить полный путь волны через искривленное пространство-время — от ее зарождения в бесконечном прошлом до исчезновения в бесконечном будущем. И это лишь начало.