Гравитационные волны могут выдать скрытую материю вокруг чёрных дыр
После столкновения и слияния двух чёрных дыр образовавшаяся чёрная дыра ещё некоторое время продолжает колебаться, испуская постепенно затухающие гравитационные волны. Новое исследование показало, что особенности этих затухающих колебаний могут содержать признаки дополнительной материи или неизвестной физики в непосредственной близости от чёрной дыры.
Группа физиков под руководством исследователей Нагойского университета предложила новый способ искать так называемые «волосы» чёрной дыры — дополнительную структуру, которая не описывается только её массой и вращением. Авторы показали, что такая структура должна по-разному изменять частоту гравитационных колебаний и скорость их затухания. Именно это различие может стать признаком присутствия чего-то необычного возле чёрной дыры.
Термин «волосы» здесь не имеет буквального смысла. В классическом описании общей теории относительности наиболее простая астрофизическая чёрная дыра характеризуется прежде всего массой и угловым моментом. Дополнительные поля или распределение материи около неё могут изменить геометрию пространства-времени и оставить след в наблюдаемом гравитационном сигнале.
Особенно удобным моментом для такого поиска является завершающая стадия слияния. После объединения двух объектов новая чёрная дыра испытывает колебания и постепенно переходит в устойчивое состояние. Эти колебания имеют определённые квазинормальные моды — характерные частоты и времена затухания, зависящие от свойств чёрной дыры.
Если объект полностью соответствует обычной чёрной дыре Керра, общая теория относительности достаточно точно предсказывает частоты и скорость затухания её гравитационных колебаний. Если же рядом присутствует дополнительная материя или геометрия пространства-времени отличается от стандартной, эти характеристики могут немного измениться.
Главная проблема заключается в том, что различные варианты «волос» способны воздействовать на сигнал по-разному. Рассчитывать каждую возможную модель отдельно сложно, поэтому физики искали более общий способ определить, какие изменения следует искать в данных детекторов гравитационных волн.
Авторы воспользовались известной связью между затухающими колебаниями чёрной дыры и неустойчивыми орбитами фотонов вблизи неё. В сильном гравитационном поле свет может некоторое время двигаться по почти круговым траекториям, а свойства этих орбит математически связаны с частотой колебаний чёрной дыры и скоростью их затухания.
Исследователи добавили к стандартным моделям чёрных дыр небольшое количество дополнительной материи, описываемой как анизотропная среда, и рассчитали, как она меняет орбиты света и связанные с ними квазинормальные моды.
Результат показал важную особенность: частота колебаний и скорость их затухания меняются не одинаково. Соотношение между этими изменениями зависит от количества окружающей материи и от того, как распределено её давление.
Это означает, что будущий гравитационно-волновой сигнал потенциально сможет не просто указать на отклонение от обычной чёрной дыры, но и дать некоторую информацию о физической природе вещества или поля, вызвавшего это отклонение.
Авторы также рассмотрели вращающиеся чёрные дыры типа Керра. В таких объектах ситуация становится сложнее, поскольку траектории света, движущегося в направлении вращения чёрной дыры, отличаются от траекторий света, движущегося против него.
Расчёты показали, что дополнительная материя по-разному влияет на частоту колебаний и скорость их затухания. Поэтому одновременный анализ этих характеристик может дать больше информации о происходящем вблизи чёрной дыры, чем измерение только одной частоты.
Такой подход важен для проверки общей теории относительности в области чрезвычайно сильной гравитации. Возле горизонта чёрной дыры искривление пространства-времени максимально, поэтому даже небольшие отклонения от стандартной модели потенциально могут проявляться именно там.
Учёные пока не утверждают, что «волосатые» чёрные дыры действительно обнаружены. Работа является теоретической и показывает, какой характерный сигнал следует искать в будущих наблюдениях.
Новая методика также не требует заново строить расчёт для каждого возможного типа дополнительной материи. Авторы получили общие аналитические выражения, позволяющие оценивать изменения квазинормальных мод для широкого класса моделей «волосатых» чёрных дыр.
По мере повышения чувствительности гравитационно-волновых обсерваторий такие небольшие различия могут стать доступными наблюдениям. Тогда последние доли секунды после слияния чёрных дыр смогут использоваться как своеобразный тест на наличие скрытой материи или отклонений от общей теории относительности.
Если такие особенности когда-нибудь будут обнаружены, они могут показать, что окружающее пространство возле чёрной дыры сложнее, чем предсказывает простейшая модель. Если же никаких отклонений найдено не будет, это позволит ещё жёстче ограничить возможные альтернативы теории Эйнштейна.
Исследование в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.