Новая космическая модель, позволяющая узнать, что находится внутри сталкивающихся черных дыр

Изображение двух черных дыр, которые вот-вот столкнутся и сольются. Новые исследования позволили разработать более сложную модель моделирования космических событий, которая позволит глубже понять структуру сливающихся черных дыр.

В научной статье используются новые методы анализа волн, которые черные дыры излучают при столкновении.

В 2015 году ученые впервые обнаружили гравитационные волны — пульсации в пространстве-времени, возникающие при крупных космических событиях, таких как столкновение и слияние двух черных дыр, нарушающих космическое пространство. Наблюдение этих волн подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна, которая предсказывала, что такие волны должны возникать, если пространство-время работает так, как он считал. За прошедшие с тех пор семь лет было обнаружено около 100 сливающихся черных дыр путем наблюдения гравитационных волн, излучаемых этими внеземными явлениями.

Теперь, благодаря новому исследованию, возможность моделирования этих космических событий стала более совершенной. Группу из 14 исследователей возглавляли аспирант Калтеха и выпускник Колумбийского колледжа Киф Митман (CC’19), постдок Колумбийского колледжа Макарена Лагос, профессор Колумбийского колледжа Лам Хуэй и профессор Университета Миссисипи Лео Стайн. Разработанная ими усовершенствованная модель открывает путь к более глубокому пониманию структуры сливающихся черных дыр.

В новой работе «Нелинейности в слиянии черных дыр», опубликованной в журнале Physical Review Letters, группа исследователей описывает более сложный способ моделирования сигнала, который излучают гравитационные волны, путем включения в модели нелинейных взаимодействий. Этот метод моделирования позволит ученым лучше понять структуру происходящего внутри черных дыр, а также поможет проверить, правильно ли общая теория относительности Эйнштейна описывает поведение гравитации в экстремальных астрофизических средах.

Компьютерная визуализация двух черных дыр, которые вот-вот сольются, вид сверху. Credit: SXS Lensing/Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration

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

Исследование проводится в самое подходящее время: В марте этого года обсерватория LIGO, впервые обнаружившая гравитационные волны, будет включена для сбора новых наблюдений за событиями, происходящими в дальнем космосе. Обсерватория не работает с 2020 года, когда она была закрыта из-за пандемии. В ближайшие годы ожидается начало сбора данных еще несколькими крупными детекторами, что делает еще более важным наличие у них сложных моделей для интерпретации поступающей информации.

Соавтор исследования Лам Хуи использовал аналогию для описания информации, которую могут дать гравитационные волны: «Если я дам вам коробку и спрошу, что в ней находится, то естественным будет потрясти ее. Это позволит определить, что внутри коробки — конфеты или монеты. Именно это мы и пытаемся сделать с помощью этих моделей — получить представление о внутреннем содержимом черной дыры, слушая звук, издаваемый при ее встряхивании». В случае черных дыр «тряска» — это разрушение, которое происходит при столкновении и слиянии двух дыр. «Слушая гармоники, которые она излучает, мы можем оценить пространственно-временную структуру черной дыры».

Модели гравитационных волн, излучаемых при слиянии двух черных дыр, до сих пор включали только линейные взаимодействия, которые хорошо работают и дают ценную информацию о структуре и содержимом черных дыр. Однако новая модель может повысить общую точность моделей черных дыр на 10%, считают авторы статьи.

Чтобы понять важность использования нелинейности для описания гравитационных волн, авторы описали волны в океане: Волна, которая поднимается и опускается, не выплескивая воду в воздух, может быть описана линейным уравнением. Но волна, которая вздымается и разбивается, демонстрирует нелинейное взаимодействие: В то время как часть воды вздымается у дна волны, другая вода одновременно бьется слева, справа, вверх и вниз в виде усиков и капель воды над ней. Нелинейная модель волны позволяет понять, как и когда движется вся вода в волне, включая воздушные капли. Гравитационные волны похожи на водяные волны, и новая модель позволяет учесть внеземной эквивалент дополнительных капель воды.

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

Ссылка: «Нелинейности в кольцевом движении черных дыр» Киф Митман, Макарена Лагос, Лео К. Стейн, Сижэн Ма, Лам Хуэй, Янбей Чен, Нильс Деппе, Франсуа Эбер, Лоуренс Э. Киддер, Джордан Моксон, Марк А. Шеель, Сол А. Теукольский, Уильям Троу и Нильс Л. Ву, 22 февраля 2023 года, Physical Review Letters . DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.081402