|
Нелинейное исследование имитаторов черных дыр
|
|
|
|
В недавнем исследовании ученый из Принстонского университета провел первое нелинейное исследование слияния имитаторов черных дыр с целью понять природу гравитационно-волновых сигналов, излучаемых этими объектами, что потенциально может помочь более точно идентифицировать черные дыры.
|
|
|
|
Имитаторы черных дыр - это гипотетические астрономические объекты, которые имитируют черные дыры, в частности, в своих гравитационно-волновых сигналах и их воздействии на окружающие объекты. Однако у них отсутствует горизонт событий, который является точкой невозврата.
|
|
|
|
Исследование было проведено Нильсом Симонсеном, младшим научным сотрудником Принстонского университета, который беседовал с Phys.org о своей работе.
|
|
|
|
"Имитаторы черных дыр - это объекты, удивительно близкие к черным дырам, но лишенные горизонта событий. С точки зрения наблюдений, мы, возможно, сможем отличить черные дыры от объектов, имитирующих большинство их свойств, используя наблюдения гравитационных волн", - сказал он.
|
|
|
|
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, посвящено типу имитаторов черных дыр, называемых бозонными звездами. По словам доктора Симонсена, ключом к их отличию от черных дыр являются гравитационные волны, испускаемые при столкновении и слиянии бозонных звезд.
|
|
Двойные бозонные звезды и их слияния
|
|
|
|
Бозонные звезды являются одними из потенциальных кандидатов на роль имитаторов черных дыр и, как следует из названия, состоят из бозонов. Бозоны - это субатомные частицы, такие как фотоны и частица Хиггса.
|
|
|
Звезды-бозоны состоят из скалярных бозонов, подобных гипотетическим аксионам, которые являются бозонами без спина, то есть не имеют собственного углового момента. Скалярные поля частиц образуют гравитационно связанную стабильную конфигурацию, не требующую сильного взаимодействия.
|
|
|
|
Предыдущие исследования показали, что слияние двойной бозонной звездной системы приводит к появлению гравитационных волновых сигналов, которые представляют собой рябь в пространстве-времени, вызванную бурными процессами.
|
|
|
|
Эти сигналы повсеместно идентичны сигналам при обнаружении черной дыры (или на этапе после слияния), независимо от внутренней структуры имитатора черной дыры.
|
|
|
|
Разница в излучаемых сигналах гравитационных волн видна по истечении времени прохождения светом внутренней части имитатора, которое представляет собой время, необходимое свету для прохождения диаметра имитатора, которым в данном случае является бозонная звезда.
|
|
|
|
В случае имитатора черной дыры это характеризуется повторяющимся гравитационным эхом, похожим на взрыв.
|
|
|
|
Стремясь усовершенствовать более ранние исследования, доктор Симонсен попытался решить такие проблемы, как отсутствие учета нелинейных гравитационных эффектов и исключение самодействий между материей объекта.
|
|
Нелинейный и самосогласованный подход к имитаторам черных дыр
|
|
|
|
Чтобы устранить ограничения предыдущих исследований, доктор Симонсен использовал численное моделирование для решения полных уравнений Эйнштейна-Клейна-Гордона, которые описывают эволюцию скалярных полей, таких как поля в бозонных звездах.
|
|
|
|
Что касается слияния, то исследование было сосредоточено на сценариях с большим соотношением масс, то есть на слиянии меньшей бозонной звезды с более крупной и компактной звездой, с уравнениями Клейна-Гордона, описывающими лобовое столкновение двойной звездной системы.
|
|
|
|
Уравнение Клейна-Гордона в сочетании с уравнениями поля Эйнштейна, описывающими гравитационную динамику, позволяет изучать самосогласованную эволюцию системы.
|
|
|
|
Для решения системы уравнений доктор Симонсен использовал метод релаксации Ньютона-Рафсона с использованием методов конечных разностей пятого порядка.
|
|
|
|
Он объяснил трудности, связанные с внедрением этих методов: "Только при определенных условиях имитатор черной дыры образуется в результате слияния двух звезд-бозонов. Область в решении, где это происходит, особенно сложна для моделирования из-за большого различия масштабов".
|
|
|
|
Чтобы преодолеть это, были использованы такие методы, как адаптивное уточнение сетки и очень высокое разрешение.
|
|
Высокочастотные всплески
|
|
|
|
Моделирование показало, что гравитационно-волновой сигнал о сближении содержит, как считалось ранее, взрывоподобный компонент с другими свойствами, а также долгоживущий гравитационно-волновой компонент.
|
|
|
|
"Ни один из этих компонентов не присутствует в обычном слиянии двойных черных дыр и сближении. Это может послужить руководством для будущих исследований гравитационных волн, направленных на проверку парадигмы черных дыр", - пояснил доктор Симонсен.
|
|
|
|
Однако начальный гравитационный волновой сигнал имитатора подобен сигналу вращающейся черной дыры, известной как черная дыра Керра, поскольку первичная (или более крупная) бозонная звезда становится более компактной и плотной.
|
|
|
|
Исследование показало, что время вспышек зависит от размера меньшей бозонной звезды, участвующей в слиянии.
|
|
|
|
Кроме того, они обнаружили долгоживущий компонент с частотой, сравнимой с той, которую можно было бы ожидать от черной дыры, вероятно, из-за колебаний остаточного объекта.
|
|
|
|
"Черные дыры приходят в состояние покоя за очень короткие промежутки времени. С другой стороны, считается, что имитаторы черных дыр, как правило, переизлучают часть доступной энергии при слиянии в виде гравитационных волн в течение относительно длительного периода времени", - пояснил доктор Симонсен.
|
|
|
|
Наконец, исследование показало, что общая энергия, излучаемая гравитационными волнами, значительно больше, чем ожидалось от аналогичного события слияния черных дыр.
|
|
Будущая работа
|
|
|
|
Два компонента, выявленные в ходе исследования, могут быть использованы в качестве отличительного признака между остатками слияния черных дыр и имитаторами черных дыр.
|
|
|
|
"Однако до сих пор остается много вопросов без ответа о свойствах хорошо мотивированных имитаторов черных дыр и динамике их слияния и свертывания", - добавил доктор Симонсен.
|
|
|
|
Говоря о будущей работе, он отметил: "Одним из интересных направлений в будущем является рассмотрение хорошо мотивированного имитатора черной дыры и понимание его динамики вдохновения, слияния и прекращения существования в контексте бинарной системы.
|
|
|
|
"Кроме того, анализ поведения этих хорошо мотивированных имитаторов с использованием пертурбативных методов и подключение их к нелинейным методам лечения имеет решающее значение для проведения будущих испытаний парадигмы черных дыр с использованием наблюдений гравитационных волн".
|
|
|
|
Источник
|
