Гравитационные волны могут помочь заглянуть внутрь черной дыры
Черные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Отчасти это связано с тем, что уравнения общей теории относительности, которые ученые используют для их понимания, не работают при изучении сверхплотных центров черных дыр.
Тем не менее, новая статья показывает, как астрономы однажды смогут преодолеть эту проблему, используя гравитационные волны, чтобы «заглянуть» внутрь сливающихся черных дыр и узнать, какие тайны они скрывают.
В общей теории относительности черные дыры — это объекты, которые препятствуют даже выходу света из них из-за чрезвычайно сильной гравитации. Граница черной дыры известна как горизонт событий — если что-то преодолеет этот порог, пути назад никогда не будет.
Теория относительности также предсказывает, что центры черных дыр представляют собой точки с бесконечно высокой плотностью, известные как сингулярность.
Наличие таких особенностей означает, что сами уравнения нарушаются — в математике начинают появляться бесконечности, которые мешают дальнейшим вычислениям.
Итак, мы знаем, что общая теория относительности неполна. Должна существовать более фундаментальная теория, вероятно, связанная с квантовой физикой субатомных масштабов, которая могла бы правильно описать то, что происходит в центре черной дыры.
Пока нет полной квантовой теории гравитации, но есть несколько кандидатов. Например, существует теория струн, которая предсказывает, что все частицы во Вселенной на самом деле состоят из очень малых вибрирующих струн. Существует также теория петлевой квантовой гравитации, согласно которой само пространство-время состоит из крошечных неделимых кусочков, подобных пикселям на экране компьютера.
Оба этих подхода могут заменить традиционную сингулярность в центре черной дыры чем-то другим. Но когда вы заменяете сингулярность, вы обычно также устраняете горизонт событий. Это происходити потому, что горизонт событий вызван бесконечным гравитационным притяжением сингулярности.
Без сингулярности гравитационное притяжение просто невероятно сильное, но не бесконечное, поэтому вы всегда можете покинуть окрестности черной дыры, если двигаетесь с достаточной скоростью.
В некоторых вариациях теории струн сингулярность и горизонты событий заменены переплетенными сетями запутанных узлов пространства-времени. В петлевой квантовой гравитации сингулярность становится чрезвычайно маленьким и чрезвычайно плотным сгустком экзотической материи.
В других моделях вся черная дыра заменяется тонкой оболочкой материи или сгустками новых видов частиц.
Тайна черной дыры
Ближайшие известные черные дыры находятся на расстоянии тысяч световых лет, поэтому проверить эти модели сложно. Но иногда черные дыры посылают нам важную информацию, особенно когда они сливаются вместе.
Когда они это делают, они выпускают потоки гравитационных волн, которые представляют собой рябь в пространстве-времени, которую можно обнаружить с помощью чувствительных инструментов на Земле, таких как LIGO и VIRGO.
До сих пор все наблюдения слияний черных дыр согласуются с моделью черных дыр, предсказанной общей теорией относительности. Но это может измениться в будущем, когда появятся новые поколения обсерваторий гравитационных волн, говорится в статье, опубликованной на сайте препринтов arXiv.
Согласно статье, ключ не в гравитационных волнах, излучаемых во время самого слияния, а в тех, которые излучаются сразу после него. Когда слияние закончилось и две черные дыры стали единым объектом, новая объединенная масса вибрирует с интенсивным количеством энергии, как удар колокола. Эта фаза «колокола» имеет отчетливую гравитационно-волновую сигнатуру.
Изучая эти сигнатуры, исследователи однажды смогут сказать, какие теории о черных дырах верны, а какие нет.
Каждая модель черной дыры предсказывает различия в гравитационных волнах, излучаемых во время фазы колокола, которые возникают из-за различий во внутренней структуре черной дыры. С разной структурой черных дыр возникают разные виды гравитационных волн.
Астрономы надеются, что следующее поколение детекторов гравитационных волн будет достаточно чувствительным, чтобы обнаруживать эти предсказанные крошечные изменения в сигнатуре кольца. Если они это сделают, они радикально изменят наше представление о черных дырах и продвинут нас вперед в распутывании их глубочайших тайн.
Исследование было опубликовано на сайте препринтов arXiv.