Физики считают черные дыры одними из самых загадочных объектов из существующих. По иронии судьбы, они также считаются одними из самых простых. В течение многих лет физики, подобные мне, пытались доказать, что черные дыры сложнее, чем кажутся. И недавно утвержденная европейская космическая миссия LISA поможет нам в этой охоте. Исследования, проведенные в 1970—х годах, показывают, что вы можете всесторонне описать черную дыру, используя только три физических признака - массу, заряд и спин. Все остальные свойства этих массивных умирающих звезд, такие как их подробный состав, плотность и температурные профили, исчезают, когда они превращаются в черную дыру. Вот насколько они просты. Идея о том, что у черных дыр есть только три признака, называется теоремой "безволосости", подразумевая, что у них нет никаких "волосатых" деталей, которые делают их сложными.
На протяжении десятилетий исследователи из сообщества астрофизиков использовали лазейки или обходные пути в предположениях теоремы об отсутствии волос, чтобы придумать возможные сценарии возникновения волосатых черных дыр. Волосатая черная дыра обладает физическими свойствами, которые ученые в принципе могут измерить, и которые выходят за рамки ее массы, заряда или спина. Это свойство должно быть постоянной частью ее структуры. Около десяти лет назад Стефанос Аретакис, физик, работающий в настоящее время в Университете Торонто, математически показал, что черная дыра, обладающая максимальным зарядом, который она может удерживать, — так называемая экстремально заряженная черная дыра — будет образовывать "волосы" на своем горизонте. Горизонт черной дыры - это граница, за которую не может вырваться ничего, что пересекает ее, даже свет. Анализ Аретакиса был скорее мысленным экспериментом с использованием сильно упрощенного физического сценария, поэтому ученые не ожидают, что это будет наблюдаться астрофизически. Но черные дыры с наддувом, возможно, не единственные, у которых могут быть волосы.
Поскольку известно, что астрофизические объекты, такие как звезды и планеты, вращаются, ученые ожидают, что черные дыры также будут вращаться, основываясь на том, как они образуются. Астрономические данные показали, что черные дыры действительно вращаются, хотя исследователи не знают, какова типичная величина вращения для астрофизической черной дыры. Используя компьютерное моделирование, моя команда недавно обнаружила похожие типы волос в черных дырах, которые вращаются с максимальной скоростью. Эти волосы связаны со скоростью изменения, или градиентом, кривизны пространства-времени на горизонте. Мы также обнаружили, что черной дыре на самом деле не обязательно максимально вращаться, чтобы иметь волосы, что важно, поскольку такие максимально вращающиеся черные дыры, вероятно, не образуются в природе. Моя команда хотела разработать способ потенциального измерения этого волоска — нового фиксированного свойства, которое могло бы характеризовать черную дыру помимо ее массы, спина и заряда. Мы начали изучать, как такое новое свойство может влиять на гравитационную волну, испускаемую быстро вращающейся черной дырой.
Гравитационная волна - это крошечное возмущение в пространстве-времени, обычно вызываемое сильными астрофизическими событиями во Вселенной. Столкновения компактных астрофизических объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды, приводят к возникновению сильных гравитационных волн. Международная сеть гравитационных обсерваторий, включая лазерную интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию в Соединенных Штатах, регулярно обнаруживает эти волны. Наши недавние исследования показывают, что можно измерить эти признаки волосатости на основе данных о гравитационных волнах для быстро вращающихся черных дыр. Изучение данных о гравитационных волнах дает возможность получить своего рода сигнатуру, которая могла бы указать, имеет ли черная дыра такой тип волосатости. Наши текущие исследования и недавний прогресс, достигнутый Сомом Бишойи, студентом из нашей команды, основаны на сочетании теоретических и вычислительных моделей быстро вращающихся черных дыр. Наши результаты еще не были проверены в полевых условиях и не наблюдались в реальных черных дырах в космосе. Но мы надеемся, что это скоро изменится.
В январе 2024 года Европейское космическое агентство официально утвердило миссию по созданию лазерного интерферометра космического базирования Space Antenna, или LISA. LISA будет заниматься поиском гравитационных волн, и данные, полученные в ходе миссии, могут помочь моей команде в решении наших сложных вопросов о черных дырах. Официальное утверждение означает, что проект получил разрешение на переход к этапу строительства, запуск которого запланирован на 2035 год. LISA состоит из трех космических аппаратов, сформированных в форме идеального равностороннего треугольника, которые будут двигаться вслед за Землей вокруг Солнца. Каждый из космических аппаратов будет находиться на расстоянии 1,6 миллиона миль (2,5 миллиона километров) друг от друга, и они будут обмениваться лазерными лучами, чтобы измерить расстояние друг от друга примерно с точностью до миллиардной доли дюйма.
LISA обнаружит гравитационные волны от сверхмассивных черных дыр, которые в миллионы или даже миллиарды раз массивнее нашего Солнца. С его помощью будет построена карта пространства-времени вокруг вращающихся черных дыр, которая поможет физикам с беспрецедентной точностью понять, как работает гравитация в непосредственной близости от черных дыр. Физики надеются, что LISA также сможет измерить любые характерные признаки, которыми могут обладать черные дыры. Благодаря тому, что LIGO каждый день проводит новые наблюдения, а LISA предлагает заглянуть в пространство-время вокруг черных дыр, сейчас самое захватывающее время для работы физиком по черным дырам.
