|
Слияния черных дыр может привести к появлению волн
|
|
|
|
Черные дыры, области пространства-времени, в которых гравитация настолько сильна, что ничто не может вырваться наружу, являются интригующими и широко изучаемыми космологическими явлениями. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что при слиянии двух черных дыр они испускают рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны.
|
|
|
|
Когда гравитационные волны, возникающие при слиянии черных дыр, затухают, могут остаться едва заметные следы этих волн, известные как хвосты гравитационных волн позднего времени. Хотя в прошлом широко обсуждались теории о существовании этих хвостов, они еще не были окончательно подтверждены.
|
|
|
|
Исследователи из Института Нильса Бора, Лиссабонского университета и других институтов по всему миру недавно провели моделирование слияния черных дыр, основанное на уравнениях общей теории относительности Эйнштейна, для дальнейшего изучения существования хвостов гравитационных волн позднего времени. Их моделирование, описанное в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предполагает, что эти хвосты не только существуют, но и могут иметь большую амплитуду, чем первоначально предполагалось, и, таким образом, могут наблюдаться в будущих экспериментах.
|
|
|
|
"Когда деформированная черная дыра — продукт слияния — возвращается к равновесию, она изначально излучает суперпозицию четко определенных дискретных частот колебаний", - рассказала Марина Де Амичис, первый автор статьи Phys.org. "Эта фаза называется повторным вызовом: сигнал, обычно наблюдаемый в реальных данных о гравитационных волнах, является ключом к проверке общей теории относительности в малых масштабах. В нашей статье показано, что повторный вызов - это еще не конец истории".
|
|
|
|
|
|
|
По сути, Де Амичис и его коллеги показали, что после того, как сигнал вызова затихает, пространство и время остаются слегка искаженными, медленно возвращаясь в исходное состояние. При этом они издают заключительный "стон", который широко известен как "хвост".
|
|
|
|
"Хвосты предоставляют дополнительную информацию к результатам исследования и открывают новое окно в изучении крупномасштабной структуры областей нашей Вселенной, содержащих черные дыры", - сказал Де Амичис."
|
|
Численное моделирование слияния черных дыр
|
|
|
|
Предыдущие исследования предсказывали существование хвостов гравитационных волн в очень простых условиях. Например, теория, известная как теория возмущений, предсказывала появление хвостов в виде небольшой ряби, окружающей массивные черные дыры.
|
|
|
|
"Некоторые из нас ранее показали, что, когда эти волны возникают из-за падения небольшого объекта в черную дыру в радиальном направлении, "хвост" значительно усиливается", - сказал Де Амичис. "Однако общая теория относительности Эйнштейна намного богаче, чем более простая теория, исследованная в прошлом. Это и было целью нашего нового исследования: понять предсказание общей теории относительности Эйнштейна во всей его сложности для реалистичных сливающихся черных дыр, наблюдаемых в нашей Вселенной".
|
|
|
|
Основной целью этого недавнего исследования было определить, существуют ли подобные хвосты и у сливающихся черных дыр, и если да, то ведут ли они себя аналогично тем, которые предсказываются теорией возмущений. Для этого они провели численное моделирование теории относительности, которое решает уравнения относительности Эйнштейна.
|
|
|
|
"Есть две основные проблемы, связанные с "обнаружением" хвостов в численном моделировании теории относительности", - объяснил Де Амичис. "Первая заключается в том, что хвосты, как правило, слабые и проявляются только тогда, когда в моделировании уже преобладает числовой шум. Чтобы преодолеть это, мы сосредоточились на первоначальных конфигурациях, которые естественным образом усиливают последствия, а именно лобовые столкновения".
|
|
|
|
Вторая проблема, с которой приходится сталкиваться при попытке смоделировать "хвосты" с помощью методов численной теории относительности, заключается в природе этих едва заметных затяжных сигналов. В частности, "хвосты" тесно связаны с обширной областью, окружающей черные дыры, однако численное моделирование охватывает лишь ограниченную часть пространства, таким образом, отсекая большую часть моделируемой Вселенной.
|
|
|
|
"Это усечение изменяет "хвост" и может создавать артефакты, которые затемняют или даже полностью отменяют сигнал", - сказал Де Амичис. "Нам удалось расширить пространственный охват наших симуляций, чтобы мы могли точно зафиксировать "хвост" в течение временного интервала, необходимого для реалистичных наблюдений".
|
|
|
|
Некоторые слияния могут усилить гравитационные хвосты
|
|
|
|
Используя свой подход, исследователи смогли с высокой точностью смоделировать слияние черных дыр. Это позволило им обнаружить новое предсказание общей теории относительности Эйнштейна, которое может быть проверено в будущих экспериментах с использованием детекторов гравитационных волн.
|
|
|
|
"Что еще более интересно, этот новый сигнал, хотя и напоминает то, что ожидалось от теории возмущений, несет в себе признаки способности гравитации взаимодействовать самой с собой, свойства, известного как нелинейность", — сказал Де Амичис.
|
|
|
|
- Гравитация - слабая сила, и исследовать ее нелинейную природу, как известно, крайне сложно. Примечательно то, что мы не только нашли новый способ изучения этого аспекта гравитации, но и обнаружили его гораздо позже — спустя много времени после слияния двух систем, когда считалось, что нелинейные эффекты исчезли".
|
|
|
|
Эта недавняя работа может иметь важные последствия для будущих исследований. Фактически, моделирование, проведенное командой, предполагает, что нелинейные эффекты можно было бы искать не только во время короткой фазы слияния двух черных дыр, но и после слияния в течение значительно более длительного времени.
|
|
|
|
"Мы хотим понять нелинейное содержание "хвоста" за последнее время, чтобы увидеть, что эта часть сигнала может рассказать об общей теории относительности и природе нашей Вселенной", - добавил Де Амичис.
|
|
|
|
"Не менее важно и то, что мы планируем оценить, при каких условиях наблюдения хвостовые сигналы могут быть обнаружены с помощью существующих и будущих гравитационно-волновых обсерваторий, и точно определить, какие особенности Вселенной такие обнаружения могли бы помочь нам раскрыть".
|
|
|
|
Источник
|
