Чи мають чорні діри приховане «волосся»? Знайдено новий спосіб це перевірити

Протягом майже шістдесяти років загальна теорія відносності передбачала, що чорні діри визначаються лише масою та обертанням навколо власної осі (спіном). У новому дослідженні розроблено метод перевірки того, чи не приховують деякі чорні діри дещо більше.

Про це розповідають в Наґойському університеті в Японії, передають OstanniPodii.com.

Коли дві чорні діри зіштовхуються й зливаються, новоутворена чорна діра вібрує, наче дзвін, випромінюючи гравітаційні хвилі з певними частотами, які з часом затихають. Цей патерн короткочасних хвиль, що згасають, називається «рингдауном», і він може приховувати таємниці про те, що знаходиться навколо чорних дір.

Згідно з основними правилами Ейнштейна для найпростішого типу чорних дір, хвилі рингдауну залежать лише від двох факторів: маси чорної діри та швидкості її спіну. Але що, якщо навколо чорних дір є прихована матерія? Якщо це справді так, то ця матерія також впливатиме на характеристики хвиль рингдауну. Як наслідок, рингдаун може містити інформацію про приховану матерію, що оточує чорну діру. У теоретичній фізиці цю додаткову структуру часто називають «волоссям чорної діри».

Команда під керівництвом дослідників з Наґойського університету знайшла спосіб перевірити наявність «волосся» за допомогою змін у хвилях рингдауну. Вони виявили, що прихована матерія впливає на ці хвилі нерівномірно: частота та швидкість згасання хвиль реагують по-різному. Ця відмінність може вказати нам на наявність прихованої матерії та на те, як розподіляється її тиск навколо чорної діри.

У випадку обертових чорних дір прихована матерія по-різному впливає на рингдаун, залежно від того, чи рухаються хвилі в напрямку спіну чорної діри, чи проти нього. Опубліковане в «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics» дослідження розкриває, яка саме закономірність у сигналі гравітаційних хвиль може слугувати підказкою про наявність прихованого «волосся» й допомогти майбутнім спостереженням відрізнити чорну діру з «волоссям» від звичайної.

Якщо чорні діри з «волоссям» існують

Вчені продовжують перевіряти, чи ідеально описує теорія загальної відносності Ейнштейна чорні діри та які відхилення можуть існувати.

Виявити ознаки «волосся» чорної діри складно, оскільки різні види додаткової матерії або нові фізичні явища можуть по-різному змінювати процес рингдауну. Це дослідження дає дослідникам чіткіше уявлення про те, на які закономірності слід звертати увагу в майбутніх даних про затихання.

«Волосся чорної діри може представляти матерію, що оточує чорну діру, або відхилення від найпростішого типу чорної діри, передбаченої загальною теорією відносності. Оскільки вони можуть дещо змінювати сигнал рингдауну, виявлення або виключення цих змін може дати нам новий спосіб перевірки гравітації в цій екстремальній області», — сказала перша авторка Аріадна Уксуе Паломіно Ілла, аспірантка Наґойського університету.

Чорна діра настільки сильно спотворює простір-час, що викривляє траєкторію світла та гравітаційних хвиль. Якщо існує прихована матерія або нові фізичні явища, що впливають на гравітацію, ці ефекти будуть найбільш вираженими саме там, де гравітація найсильніша. Це робить чорні діри найкращим місцем для з’ясування, чи можуть існувати прихована матерія або невідомі фізичні явища.

Щоб перевірити наявність «волосся», команда спиралася на відомий взаємозв’язок. Траєкторія руху світла поблизу чорної діри відповідає поведінці її хвиль рингдауну, тож вчені можуть обчислити одне на основі іншого. Вони додали невелику кількість прихованої матерії до стандартних моделей чорних дір і за допомогою рівнянь Ейнштейна обчислили, як ця матерія змінює частоту та швидкість згасання рингдауну.

Дослідники перевірили цей підхід на трьох добре відомих теоретичних чорних дірах. Вони також поширили його на обертові чорні діри та дослідили світло, що рухається по орбіті у напрямку обертання чорної діри, та світло, що йде по орбіті проти нього.

«Волосся» по-різному впливає на частоту та швидкість згасання

Ключовим висновком є те, що частота та швидкість згасання хвиль рингдауну змінюються по-різному. Різниця між ними залежить від того, скільки прихованої матерії присутньо та як розподіляється її тиск навколо чорної діри.

«Хвилі рингдауну можуть не лише свідчити про те, що на чорну діру впливає щось додаткове; спосіб зміни сигналу також може дати нам підказки щодо того, якою насправді є ця прихована матерія», — зазначила Паломіно Ілла.

Дослідники включили до свого аналізу обертові чорні діри. Обертання ускладнює розрахунки, оскільки світло, що рухається по орбіті в напрямку обертання чорної діри, поводитиметься інакше, ніж світло, що йде по орбіті проти нього. Прихована матерія також по-різному змінюватиме частоту рингдауну та швидкість його згасання, залежно від напрямку спіну. Точна закономірність залежить від типу прихованої матерії.

Замість того щоб вивчати кожен можливий тип «волосся» чорної діри з нуля, новий метод надає дослідникам універсальний спосіб передбачити, як додаткова матерія або нові фізичні явища можуть змінити рингдаун чорної діри. Хоча отримані результати є попередніми оцінками, цей метод допомагає вченим зрозуміти, на що слід звернути увагу, якщо вони колись виявлять щось дивне в сигналі реальної чорної діри. У майбутньому цей підхід може допомогти дослідникам використовувати ці хвилі для визначення розміру чорної діри, її обертання та наявності будь-якого «волосся» чорної діри поблизу.

• Чорні діри