Что скрывают гравитационные волны? Новый метод для поиска аномалии возле черных дыр

Исследователи из Нагойского университета в Японии предложили новый способ обнаружить скрытую материю вокруг черных дыр по особенностям гравитационных волн, которые возникают при слиянии двух таких объектов. Они выяснили, что частота и скорость затухания этих волн меняются по-разному в зависимости от присутствия дополнительной материи, и это различие может служить ключом к ее идентификации. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Когда две черные дыры сближаются и в конце концов сливаются в одну, рождается не просто новый массивный объект, но и своеобразный «звуковой» сигнал, только не в воздухе, а в самой ткани пространства-времени. Этот сигнал — гравитационные волны, напоминает звон колокола: он начинается с сильного всплеска, а затем постепенно затихает, переходя в едва уловимые колебания. Физики называют такой затухающий сигнал кольцевыми волнами. И, как выясняется, в этом постепенном исчезновении колебаний могут быть скрыты подсказки о том, что находится рядом с черной дырой.

Согласно классическим уравнениям Эйнштейна, для самых простых, «голых» черных дыр форма и длительность затухания зависят всего от двух вещей, от массы дыры и от того, как быстро она вращается. Никаких других характеристик не требуется. Однако в реальной Вселенной вокруг черной дыры вполне может существовать невидимая материя, например газ, пыль, темная материя или какие-то экзотические поля.

Тогда картина меняется: эта дополнительная среда оказывает свое гравитационное влияние, и кольцевые волны уже нельзя описать лишь массой и вращением. В теоретической физике такие «довески» к простому образу черной дыры получили образное название «волосы», по аналогии с идеей, что у черной дыры не должно быть никаких отличительных черт, кроме необходимых параметров, но при наличии окружения эти черты все же появляются.

Группа ученых под руководством Ариадны Уксуэ Паломино Илла из Нагойского университета решила проверить, можно ли уловить эти «волосы» по тому, как именно затухают гравитационные волны. Они пошли нестандартным путем: вместо того чтобы перебирать все мыслимые виды скрытой материи, они создали общий математический метод, позволяющий предсказывать изменения в затухании для любого типа дополнительного вещества. Ключевой вывод их работы состоит в том, что скрытая материя действует на частоту колебаний и на скорость их затухания неодинаково. Если частота смещается в одну сторону, а затухание в другую, причем соотношение этих сдвигов зависит от того, насколько сильно сжата материя и как распределено ее давление вокруг дыры, то это и есть характерный «почерк» присутствия волос.

Особый интерес представляет случай вращающихся черных дыр. В таких системах гравитационные волны могут распространяться по направлению вращения или против него, и эти два варианта дают разные сигналы. Добавление скрытой материи усиливает это различие: для встречных и попутных волн частоты и скорости затухания меняются по-своему. Причем конкретный узор этих изменений зависит от природы скрытой материи, будь то обычное вещество, темная энергия или нечто совершенно новое. Таким образом, если в будущих наблюдениях астрономы увидят странную асимметрию между волнами, идущими по вращению и против него, это может стать первым намеком на то, что черная дыра не одинока, а окружена таинственной материей.

Почему это важно? Черные дыры это самые сильные «гравитационные полигоны» во Вселенной. Именно там любые отклонения от предсказаний Эйнштейна или влияние посторонней материи должны проявиться ярче всего. Поэтому изучение затухающих волн после слияний дает физикам уникальный инструмент для проверки общей теории относительности в экстремальных условиях. Если окажется, что реальные сигналы не совпадают с расчетами для «голых» дыр, значит, либо вокруг них есть скрытая масса, либо сама теория гравитации требует уточнений. Новый метод от японской команды позволяет не гадать, а целенаправленно искать эти несовпадения, зная, какие именно сигналы следует анализировать.

Пока что речь идет о теоретических моделях, проверенных на нескольких известных типах черных дыр, включая вращающиеся. Ученые не утверждают, что уже открыли «волосатые» объекты, они дают астрофизикам четкие ориентиры для будущих наблюдений. Когда детекторы гравитационных волн, такие как LIGO и Virgo, зафиксируют очередное слияние, исследователи смогут сравнить запись затухания с эталонными кривыми и определить, есть ли в сигнале аномалии, указывающие на скрытую материю. При этом чем больше будет собрано данных, тем точнее можно будет отличать эффекты материи от простого вращения или массы.

В конечном счете работа показывает, что послесвечение слияния черных дыр это не просто финальный акт космической катастрофы, а богатый источник информации. Оно способно рассказать не только о самой дыре, но и о ее окружении, которое остается невидимым для телескопов. Если «волосы» действительно существуют, то их удастся «причесать» с помощью гравитационно-волновой астрономии, получив новые данные о составе вещества во Вселенной и о том, как ведет себя гравитация в самых суровых условиях.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях