Имеют ли черные дыры скрытые «волосы»? Найден новый способ это проверить
На протяжении почти шестидесяти лет общая теория относительности предполагала, что черные дыры определяются только массой и вращением вокруг собственной оси (спином). В новом исследовании разработан метод проверки того, не скрывают ли некоторые черные дыры чего-то большего
Об этом рассказывают в Нагойском университете в Японии, передают OstanniPodii.com.
Когда две черные дыры сталкиваются и сливаются, образовавшаяся черная дыра вибрирует, словно колокол, излучая гравитационные волны с определёнными частотами, которые со временем затихают. Этот паттерн кратковременных затухающих волн называется «рингдауном», и он может скрывать тайны о том, что находится вокруг черных дыр.
Согласно основным законам Эйнштейна для простейшего типа черных дыр, волны рингдауна зависят лишь от двух факторов: массы чёрной дыры и скорости ее вращения. Но что, если вокруг черных дыр есть скрытая материя? Если это действительно так, то эта материя также будет влиять на характеристики волн рингдауна. Как следствие, рингдаун может содержать информацию о скрытой материи, окружающей черную дыру. В теоретической физике эту дополнительную структуру часто называют «волосами черной дыры».
Команда под руководством исследователей из Нагойского университета нашла способ проверить наличие «волос» с помощью изменений в волнах рингдауна. Они обнаружили, что скрытая материя влияет на эти волны неравномерно: частота и скорость затухания волн реагируют по-разному. Это различие может указать нам на наличие скрытой материи и на то, как распределяется её давление вокруг черной дыры.
В случае вращающихся черных дыр скрытая материя по-разному влияет на рингдаун, в зависимости от того, движутся ли волны в направлении спина черной дыры или против него. Опубликованное в «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics» исследование раскрывает, какая именно закономерность в сигнале гравитационных волн может служить подсказкой о наличии скрытых «волос» и помочь будущим наблюдениям отличить черную дыру с «волосами» от обычной.
Существуют ли черные дыры с «волосами»
Ученые продолжают проверять, насколько идеально теория общей относительности Эйнштейна описывает черные дыры и какие отклонения могут существовать.
Обнаружить признаки «волос» черной дыры сложно, поскольку различные виды дополнительной материи или новые физические явления могут по-разному изменять процесс затухания. Это исследование дает ученым более четкое представление о том, на какие закономерности следует обращать внимание в будущих данных о рингдаунах.
«Волосы черной дыры могут представлять собой материю, окружающую черную дыру, или отклонения от простейшего типа черной дыры, предсказанного общей теорией относительности. Поскольку они могут несколько изменять сигнал рингдауна, обнаружение или исключение этих изменений может дать нам новый способ проверки гравитации в этой экстремальной области», — сказала первый автор Ариадна Уксуэ Паломино Илла, аспирантка Нагойского университета.
Черная дыра настолько сильно искажает пространство-время, что изгибает траекторию света и гравитационных волн. Если существует скрытая материя или новые физические явления, влияющие на гравитацию, эти эффекты будут наиболее выраженными именно там, где гравитация сильнее всего. Это делает черные дыры лучшим местом для выяснения, могут ли существовать скрытая материя или неизвестные физические явления.
Чтобы проверить наличие «волос», команда опиралась на известную взаимосвязь. Траектория движения света вблизи черной дыры соответствует поведению ее волн рингдауна, поэтому ученые могут вычислить одно на основе другого. Они добавили небольшое количество скрытой материи в стандартные модели черных дыр и с помощью уравнений Эйнштейна рассчитали, как эта материя изменяет частоту и скорость затухания рингдауна.
Исследователи проверили этот подход на трех хорошо известных теоретических черных дырах. Они также распространили его на вращающиеся черные дыры и исследовали свет, движущийся по орбите в направлении вращения черной дыры, и свет, идущий по орбите против него.
«Волосы» по-разному влияют на частоту и скорость затухания
Ключевым выводом является то, что частота и скорость затухания волн рингдауна изменяются по-разному. Разница между ними зависит от того, сколько скрытой материи присутствует и как распределяется ее давление вокруг черной дыры.
«Волны рингдауна могут не только свидетельствовать о том, что на черную дыру воздействует что-то дополнительное; характер изменения сигнала также может дать нам подсказки о том, какой на самом деле является эта скрытая материя», — отметила Паломино Илла.
Исследователи включили в свой анализ вращающиеся черные дыры. Вращение усложняет расчеты, поскольку свет, движущийся по орбите в направлении вращения черной дыры, будет вести себя иначе, чем свет, идущий по орбите против него. Скрытая материя также по-разному будет изменять частоту рингдауна и скорость его затухания в зависимости от направления спина. Точная закономерность зависит от типа скрытой материи.
Вместо того чтобы изучать каждый возможный тип «волос» черной дыры с нуля, новый метод предоставляет исследователям универсальный способ предсказать, как дополнительная материя или новые физические явления могут изменить рингдаун черной дыры. Хотя полученные результаты являются предварительными оценками, этот метод помогает ученым понять, на что следует обратить внимание, если они когда-нибудь обнаружат что-то необычное в сигнале реальной черной дыры. В будущем этот подход может помочь исследователям использовать эти волны для определения размера черной дыры, ее вращения и наличия каких-либо «волос» черной дыры поблизости.