|
Есть ли у чёрных дыр волосы
|
|
|
|
Когда две чёрные дыры сталкиваются и сливаются, вновь образованная чёрная дыра «звенит», как колокол, испуская гравитационные волны с определёнными частотами, которые со временем затухают. Этот короткий затухающий паттерн волн называется «звон» и может рассказать о том, что скрывается вокруг чёрных дыр.
|
|
|
|
Согласно основным законам Эйнштейна, описывающим простейший тип чёрной дыры, волны «звона» зависят только от двух факторов: массы чёрной дыры и скорости её вращения. Но что, если вокруг чёрных дыр есть скрытая материя? Если это так, то она также будет влиять на характеристики волн «звона». Таким образом, волны «звона» могут содержать информацию о скрытой материи, окружающей чёрную дыру. В теоретической физике эту дополнительную структуру часто называют «волосами чёрной дыры».
|
|
|
|
Группа учёных под руководством исследователей из Университета Нагои в Японии нашла способ проверить наличие «волос» с помощью анализа волн «звона». Они обнаружили, что скрытая материя влияет на эти волны неравномерно: частота и скорость затухания волн меняются по-разному. Эта разница может указывать на наличие скрытой материи и на то, как она распределена вокруг чёрной дыры.
|
|
|
|
Для вращающихся чёрных дыр скрытая материя по-разному влияет на гравитационные волны, в зависимости от того, движутся ли волны по направлению вращения чёрной дыры или против него. В исследовании, опубликованном в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, выявлена закономерность в сигнале гравитационных волн, которая может указывать на наличие скрытой материи и помочь будущим наблюдениям отличить «волосатую» чёрную дыру от обычной.
|
|
|
|
|
|
|
Учёные продолжают выяснять, насколько точно общая теория относительности Эйнштейна описывает чёрные дыры и какие отклонения от неё могут существовать.
|
|
|
|
Обнаружить признаки наличия скрытой материи вокруг чёрных дыр сложно, поскольку различные виды дополнительной материи или новые физические явления могут по-разному влиять на гравитационные волны. Это исследование даёт учёным более чёткое представление о том, на какие закономерности следует обращать внимание при анализе будущих данных о гравитационных волнах.
|
|
|
|
«Скрытая материя вокруг чёрных дыр может представлять собой материю, окружающую чёрную дыру, или отклонения от простейшей модели чёрной дыры, предсказанной общей теорией относительности. Поскольку они могут незначительно влиять на сигнал гравитационных волн, обнаружение или исключение этих изменений может дать нам новый способ проверки теории гравитации в этой экстремальной области», — говорит первый автор исследования Ариадна Уксуэ Паломино Илла, аспирантка Высшей школы естественных наук Университета Нагоя.
|
|
|
|
Чёрная дыра настолько сильно искривляет пространство-время, что меняет траекторию движения света и гравитационных волн. Если скрытая материя или новая физика влияют на гравитацию, то эти эффекты будут наиболее заметны именно там, где гравитация наиболее сильна. Таким образом, черные дыры — лучшее место для того, чтобы выяснить, существует ли скрытая материя или неизвестная нам физика.
|
|
|
|
Чтобы проверить наличие «волос», команда исследователей опиралась на известную закономерность. То, как свет движется по орбите вокруг черной дыры, соответствует тому, как ведут себя гравитационные волны, поэтому ученые могут рассчитать одно на основе другого. Они добавили небольшое количество скрытой материи в стандартные модели черных дыр и с помощью уравнений Эйнштейна рассчитали, как эта материя влияет на частоту и скорость затухания гравитационных волн.
|
|
|
|
Исследователи протестировали этот подход на трех хорошо известных теоретических моделях черных дыр. Они также применили его к вращающимся черным дырам и изучили свет, который движется по орбите вместе с вращением черной дыры, и свет, который движется против его направления.
|
|
|
|
Ключевой вывод заключается в том, что частота и скорость затухания гравитационных волн меняются по-разному. Разница между ними зависит от количества скрытой материи и от того, как ее давление распределяется вокруг черной дыры.
|
|
|
|
«Гравитационные волны могут не только указывать на то, что на черную дыру влияет что-то еще, но и на то, что изменения в сигнале могут дать нам представление о том, что представляет собой эта скрытая материя», — говорит Паломино Илла.
|
|
|
|
В свой анализ исследователи включили вращающиеся черные дыры. Вращение усложняет расчеты, поскольку свет, движущийся по орбите вместе с черной дырой, ведет себя иначе, чем свет, движущийся против ее вращения. Скрытая материя также по-разному влияет на частоту и скорость затухания гравитационных волн, в зависимости от направления вращения. Конкретная закономерность зависит от типа скрытой материи.
|
|
|
|
Вместо того чтобы изучать каждый возможный тип «волос» черной дыры с нуля, новый метод дает исследователям универсальный способ предсказать, как дополнительная материя или новая физика могут повлиять на гравитационные волны черной дыры. Хотя результаты являются предварительными, этот метод помогает ученым понять, на что следует обратить внимание, если они когда-нибудь обнаружат что-то странное в сигнале от реальной черной дыры. В будущем этот подход может помочь исследователям использовать эти волны для определения размера и скорости вращения черной дыры, а также наличия поблизости «волос» черной дыры.
|
|
|
|
Источник
|
