Когда две черные дыры сталкиваются, удар настолько велик, что мы можем его обнаружить здесь, на Земле. Эти объекты настолько огромны, что их столкновения вызывают рябь в самом пространстве-времени. Ученые называют эту рябь гравитационными волнами. Хотя Альберт Эйнштейн предсказал идею гравитационных волн еще в 1916 году, физики не обнаружили их напрямую до 2015 года в LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Теперь ученые при поддержке Управления науки Министерства энергетики вместе с несколькими другими федеральными агентствами работают над тем, чтобы лучше понять эти гравитационные волны и то, что они могут рассказать нам о черных дырах. Помимо того, что эти столкновения очень мощные, они имеют невероятно сложную физику. Чтобы быть точным, их компьютерное моделирование также должно быть сложным. Моделирование должно включать каждый этап процесса: черные дыры движутся навстречу друг другу, сливаются, становятся искаженной черной дырой, а затем превращаются в одну черную дыру. Этот процесс настолько сложен, что ученым нужны суперкомпьютеры для моделирования.
Затем физики сравнивают числовые данные этих симуляций с моделями процесса. Старые версии моделей показывали, что гравитационные волны не влияют и не взаимодействуют друг с другом. Однако ученые подозревали, что это не так. Представьте себе двух людей, стоящих рядом друг с другом в бассейне и создающих волны. Если каждый из них создает очень маленькие волны, возможно, волны не будут мешать друг другу. Они вымрут прежде, чем вступят в контакт. Но если оба человека создают большие волны, волны столкнутся друг с другом и создадут новые волны. Зная, что столкновения порождают сильные гравитационные волны, ученые думали, что они будут взаимодействовать друг с другом, но этого не произошло.
Группа исследователей из Калифорнийского технологического института, Колумбийского университета, Университета Миссисипи, Корнелльского университета и Института гравитационной физики Макса Планка провела новый, более подробный анализ этих числовых результатов. Этот анализ, как и ожидалось, показал доказательства взаимодействия гравитационных волн друг с другом. Каждая волна заставляет другие слегка изменяться. Взаимодействия создают новые типы волн со своими независимыми частотами. Эти новые волны меньше, более хаотичны и более непредсказуемы, чем первоначальные. Включив эту особенность в модели, ученые смогут более точно описать, о чем им говорят числовые результаты. Добавление этих взаимодействий в модели сталкивающихся черных дыр сделает модели более точными. В свою очередь, эти модели помогут нам лучше интерпретировать реальные наблюдения. Чем точнее модели, тем полезнее они для интерпретации данных LIGO.
Кроме того, более совершенные модели могут помочь ученым выяснить, является ли общая теория относительности подходящей теорией для объяснения того, что на самом деле происходит в черных дырах. Хотя общая теория относительности — знаменитая теория, разработанная Эйнштейном, — в общих чертах объясняет, как гравитация влияет на пространство-время, насколько хорошо эта теория применима к странным свойствам черных дыр, еще предстоит определить. Столкновения черных дыр невообразимо далеки от Земли и нашей повседневной жизни. Хотя мы сами не можем чувствовать гравитационные волны, данные и модели, которые создают ученые, каждый день расширяют наши знания об этих невероятных явлениях.
