Исследование показывает, что происходит с видимым горизонтом при слиянии черных дыр
Слияния черных дыр — увлекательные космологические события, которые, согласно теории, являются одними из самых сильных источников гравитационных волн во Вселенной. Хотя астрофизики провели обширные исследования этих событий, многие вопросы остаются без ответа.
Ученые из Института гравитационной физики Макса Планка в Германии недавно провели исследование, изучающее, что происходит с первоначальными видимыми горизонтами во время слияния двух невращающихся черных дыр. Их статья предполагает, что когда двойные черные дыры сливаются, видимые горизонты исчезают, сливаясь с другими структурами, подобными горизонту.
Видимые горизонты — это границы, очерчивающие край черной дыры. Одна из основных целей нового исследования заключалась в том, чтобы лучше понять, как две черные дыры могут сливаться и становиться одной. По мере того, как исследователи продолжали свой анализ, они становились все более уверенными в том, что смогут ответить на этот вопрос, который долгое время оставался без ответа.
«В течение многих лет было известно, как выглядит горизонт событий во время слияния, но она мало что говорит нам о динамике, особенно о том, как пространство-время развивается внутри черных дыр», — говорят ученые. «Чтобы получить больше информации, мы вместо этого смотрим на очевидные горизонты, которые вездесущи в сообществе численной теории относительности».
Примерно 50 лет назад Стивен Хокинг и Джордж Эллис в своей книге «Крупномасштабная структура пространства-времени» немного размышляли о том, что происходит с видимыми горизонтами двойных черных дыр, когда они сливаются. Однако с тех пор исследователям не удалось нарисовать полную и последовательную картину этого явления.
«В течение долгого времени это был довольно академический вопрос, поскольку черные дыры были неуловимыми объектами, которые никогда не наблюдались напрямую по отдельности, не говоря уже о том, чтобы наблюдать слияние двух из них», — говорят исследователи. «Ситуация кардинально изменилась с тех пор, как в 2015 году были обнаружены первые гравитационные волновые сигнатуры слияний. Наблюдения за слияниями сейчас почти рутинны. Поэтому мы думаем, что понимание всех их аспектов интересно само по себе».
Ученые специально исследовали конфигурации черных дыр с определенной симметрией, когда вся система остается неизменной после вращения вокруг одной оси. Метод, который они использовали для проведения анализа, состоит из трех ключевых компонентов.
Во-первых, исследователи использовали высокоточную технику для моделирования пространства-времени, включая пространство-время внутри черной дыры. Во-вторых, они использовали численный метод, который позволял им разрешать горизонты даже в тех случаях, когда они сильно искажались.
«Третий «ингредиент» нашего метода — это концептуально простой способ найти все возможные горизонты: Уравнения для нахождения видимых горизонтов переписаны из сложных уравнений для поверхностей в относительно простые для кривых», — говорят исследователи. «Как только вы найдете одну из этих кривых, ее можно повернуть, чтобы получить полную поверхность. Тогда поиск горизонтов становится одномерным поиском, который легко решается с помощью современных компьютеров. Насколько нам известно, никто до конца не разработал математику для этого раньше, но именно это в конечном итоге позволило нам раскрыть структуру внутри недавно образовавшейся черной дыры».
За последние несколько десятилетий астрофизики смогли нарисовать четкую картину того, что происходит во внешнем пространстве-времени черных дыр во время слияния двойных черных дыр. Кроме того, теперь постоянно обнаруживаются гравитационные волны, которые, как предполагается, были связаны с этими событиями.
Однако то, что происходит во внутреннем пространстве-времени, до сих пор оставалось неясным. Новая работа проливает свет на то, что может произойти внутри двойных черных дыр при их слиянии.
«Самый важный результат нашего исследования заключается в том, что оно раскрыло судьбу двух первоначальных горизонтов», — говорят ученые. «Они оба в конечном итоге исчезают, но они не исчезают просто так. Вместо этого они плавно аннигилируют с другими подобными горизонту структурами. Можно даже сказать, что «они поворачиваются во времени», и при этом они становятся тем, что мы называют нестабильность».
Еще одним достижением этого исследования является то, что оно вводит метод, позволяющий легко различать общие поверхности, также известные как MOTS, и MOTS, которые можно рассматривать как физически значимые границы черных дыр (то есть горизонты). В будущем этот метод также может быть использован другими исследовательскими группами для изучения горизонтов в черных дырах.
«Вычисляя свойства устойчивости MOTS, мы можем сразу определить, принадлежит ли он к физически работающему горизонту или это просто нестабильная граничная поверхность», — объяснили ученые. «Этот критерий устанавливает нечто очень важное для нас: несмотря на огромное количество краевых поверхностей, которые мы обнаружили, мы находим очень четкую и простую структуру, когда включаем свойства устойчивости».
Пока что их анализ рассматривал не вращающиеся двойные черные дыры, но ученые планируют в конечном итоге провести дальнейшие исследования, сосредоточив внимание на вращающихся черных дырах.
Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.