|
Круг поиска иммитаторов черных дыр сужается
|
|
|
|
Черные дыры — это области пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга и сливаются, они испускают гравитационные волны (то есть рябь в пространстве-времени), которые могут быть похожи на волны, испускаемые при слиянии других экзотических компактных объектов.
|
|
|
|
Поэтому астрофизики пытаются разработать методы, которые позволили бы отличать настоящие черные дыры от «подделок» с похожими сигнатурами гравитационных волн. Один из предложенных подходов заключается в измерении квадрупольного момента, возникающего из-за вращения объекта, который описывает, как вращение объекта деформирует его распределение массы, отклоняя его от идеальной сферической формы.
|
|
|
|
Исследователи из Бирмингемского университета, Института теоретической физики «Периметр», Канадского института теоретической астрофизики и других институтов недавно использовали этот метод для анализа сигнала GW241011 — гравитационно-волнового сигнала, связанного со слиянием двух компактных объектов, зафиксированного детекторами LIGO в Хэнфорде и Виргинии. В их статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, показано, что более массивный объект, участвовавший в наблюдаемом слиянии, соответствует так называемой керровской черной дыре — вращающейся черной дыре, свойства которой определяются исключительно ее моментом импульса и массой. Кроме того, авторы статьи накладывают ограничения на другие экзотические компактные объекты, которые могли входить в состав этого объекта.
|
|
|
|
|
|
|
"Статья основана на методе, который мы первоначально предложили в 2017 году, чтобы использовать гравитационно-волновые наблюдения для проверки того, действительно ли компактные объекты являются черными дырами", - сказал Н. В. Кришненду, соавтор статьи и автор-корреспондент. Phys.org.
|
|
|
|
"Идея была продиктована фундаментальным вопросом: черные дыры полностью характеризуются своей массой и спином в общей теории относительности, в то время как экзотические компактные объекты, такие как бозонные звезды, могут иметь дополнительную структуру, которая изменяет их мультипольные моменты. В частности, их квадрупольный момент, вызванный вращением, может отличаться от предсказанного для керровской черной дыры."
|
|
Способ выявления двойников черных дыр
|
|
|
|
В статье 2017 года, опубликованной в журнале Physical Review Letters, была представлена идея изучения индуцированных вращением квадрупольных моментов компактных объектов, чтобы определить, являются ли они черными дырами или другими экзотическими объектами, излучающими аналогичные гравитационно-волновые сигналы. Кришненду и другие исследователи с тех пор используют это свойство в гравитационно-волновых экспериментах для изучения природы объектов, излучающих зарегистрированные сигналы.
|
|
|
|
"Наблюдения, сделанные до сих пор, соответствовали предсказаниям общей теории относительности для двойных черных дыр", - пояснил Кришненду. "Однако мы знали, что этот метод будет особенно эффективен для события с быстро вращающейся первичной обмоткой, значительной асимметрией массы и высоким отношением сигнал/шум, поскольку эти условия значительно облегчают измерение мультипольного момента, вызванного вращением. Такая возможность появилась благодаря GW241011, обнаруженному в октябре 2024 года и впоследствии сообщенному совместной работой LIGO-Virgo-KAGRA."
|
|
|
|
GW241011 - гравитационно-волновое событие, зарегистрированное детектором LIGO Хэнфорда в США и детектором Virgo в Италии. Оно было связано со слиянием двух компактных объектов, которые интерпретировались как черные дыры. Расчеты показывают, что два слившихся объекта имели массы около 19,6 и 5,9 масс Солнца соответственно, при этом более массивный объект имел безразмерный спин, равный приблизительно 0,78.
|
|
|
|
"Сочетание большой асимметрии массы, быстро вращающейся первичной обмотки и высокого отношения сигнал/шум - около 36 в сети детекторов - позволило измерить квадрупольный момент первичной обмотки, вызванный вращением, с беспрецедентной точностью", — сказал Кришненду. "Это сделало GW241011 идеальной системой для применения метода, который мы разработали почти восемь лет назад".
|
|
|
|
В своей статье исследователи попытались использовать квадрупольный момент, вызванный вращением, который они измерили у более массивного из сливающихся объектов, чтобы определить, может ли он быть чем-то иным, а не чёрной дырой. Например, они рассмотрели возможность того, что это могла быть вращающаяся бозонная звезда — гипотетический компактный объект, состоящий из бозонов (то есть частиц, которые могут находиться в одном и том же квантовом состоянии).
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что большие классы экзотических компактных объектов, в том числе вращающиеся бозонные звёзды с самовзаимодействиями четвёртого порядка, не могут объяснить наблюдаемые свойства первичного объекта, — говорит Кришненду. — В то же время достаточно компактные экзотические объекты с показателем компактности C>0,24 остаются вполне вероятным вариантом».
|
|
|
|
Определение формы объекта по гравитационным волнам
|
|
|
|
Чтобы определить природу более массивного объекта, участвовавшего в слиянии GW241011, который называют «первичным», исследователи объединили теоретические выкладки и анализ данных. Сначала они оценили квадрупольный момент, вызванный вращением первичного объекта.
|
|
|
|
«Квадрупольный момент, вызванный вращением, — это особое свойство, которое описывает, как распределение массы компактного объекта искажается из-за его вращения, оставляя характерный отпечаток в гравитационных волнах, испускаемых во время слияния двух объектов», — объясняет Тамара Евстафьева, соавтор статьи. «Поскольку это искажение зависит от внутренней структуры объекта — от того, из чего он состоит, — разные типы компактных объектов могут иметь разные квадрупольные моменты, обусловленные спином».
|
|
|
|
Кришненду, Евстафьева, Виджайкумар и их коллеги рассмотрели различные варианты природы первичного объекта, участвовавшего в гравитационно-волновом событии GW241011. Например, они изучили различные классы бозонных звёзд и экзотических жидких звёзд, сравнив их теоретические предсказания относительно квадрупольных моментов, обусловленных спином, с ограничениями, полученными на основе данных о гравитационно-волновом событии GW241011.
|
|
|
|
«Важно отметить, что при выборе экзотических компактных объектов мы сосредоточились на тех, которые обладают достаточной физической жизнеспособностью, — говорит Евстафьева. — В частности, известно, что некоторые вращающиеся экзотические компактные объекты подвержены нестабильности, из-за чего они вряд ли просуществуют достаточно долго. Чтобы выявить модели, в которых эта нестабильность отсутствует, мы использовали результаты численного моделирования в рамках теории относительности».
|
|
|
|
Исследователи определили различные характеристики первичного объекта, участвовавшего в гравитационно-волновом событии GW241011, на основе наблюдаемого сигнала гравитационных волн, в том числе его массу, спин и квадрупольный момент, обусловленный спином. Они использовали математический подход под названием «байесовская оценка параметров» и модели волновых форм, которые позволяли квадрупольному моменту каждого объекта изменяться независимо от значения, предсказанного для керровской чёрной дыры.
|
|
|
|
«Высокое соотношение сигнал/шум и большая асимметрия масс GW241011 сделали это измерение особенно точным, — говорит Кришненду. — Затем мы сравнили измеренный квадрупольный момент с теоретическими предсказаниями для различных типов экзотических компактных объектов. Другими словами, вместо того чтобы с самого начала предполагать, что первичным объектом является чёрная дыра, мы позволили данным о гравитационных волнах подсказать нам, насколько измеренная мультипольная структура может отличаться от того, что предсказывает теория для чёрных дыр».
|
|
Ключевые результаты и выводы исследования
|
|
|
|
Предсказания и расчёты команды показывают, что некоторые экзотические объекты, в том числе вращающиеся бозонные звёзды с кубическими самовзаимодействиями, имеют квадрупольные моменты, которые не согласуются с данными, полученными обсерваториями LIGO в Хэнфорде и Virgo. Это позволило учёным исключить возможность того, что первичным объектом в слиянии GW241011 была одна из таких бозонных звёзд. В то же время они показали, что первичным объектом мог быть другой достаточно компактный экзотический объект, а не чёрная дыра.
|
|
|
|
«Наша работа объединила две взаимодополняющие стороны проблемы: теория и численное моделирование подсказали нам, какие экзотические объекты могут существовать и какие квадрупольные моменты, вызванные вращением, у них должны быть, а анализ данных показал, какие из этих предсказаний согласуются с сигналом гравитационных волн», — говорит Евстафьева.
|
|
|
|
«По отдельности ни одна из сторон не смогла бы добиться успеха, но событие GW241011 дало нам возможность объединить их усилия. Именно это взаимодействие превратило квадрупольный момент, возникающий из-за вращения, в своего рода «отпечаток пальца» в данных о гравитационных волнах, дав нам ключ к разгадке природы первичного объекта».
|
|
|
|
Недавняя работа исследователей стала кульминацией почти десятилетнего научного поиска, направленного на разработку метода проверки природы компактных объектов. Событие GW241011 предоставило данные о гравитационных волнах, необходимые для проверки подхода, предложенного и усовершенствованного в ходе предыдущих исследований.
|
|
|
|
«Мы перешли от вопроса о том, согласуются ли данные о гравитационных волнах с существованием черных дыр, к количественной оценке возможностей альтернативных вариантов, — говорит Кришненду. — Особенно благоприятные свойства события GW241011 позволили нам измерить квадрупольный момент, возникающий из-за вращения первичного объекта, с гораздо большей точностью, чем это было возможно при изучении предыдущих событий, связанных с гравитационными волнами, что дало нам новый способ исследовать внутреннюю структуру объекта».
|
|
|
|
Измерения и анализ, проведенные командой, позволяют предположить, что первичным объектом в событии GW241011 могла быть керровская черная дыра. Тем не менее ученые не исключают полностью возможность того, что это мог быть компактный объект другого типа.
|
|
|
|
«Наш результат не доказывает, что объект является черной дырой, поскольку достаточно компактные экзотические объекты все еще могут соответствовать имеющимся данным, — сказал Кришненду. — Я думаю, что это различие важно: мы сужаем пространство возможных альтернатив, а не просто определяем объект как черную дыру».
|
|
Перспективы будущих исследований
|
|
|
|
Недавние исследования Кришненду, Евстафьевой, Виджайкумара и их коллег показывают, что наблюдения за гравитационными волнами можно использовать для изучения свойств компактных объектов, связанных с их внутренней структурой. По мере того как физики и инженеры разрабатывают все более чувствительные детекторы гравитационных волн, новые измерения позволят с большей точностью исследовать природу компактных объектов.
|
|
|
|
"То, что в 2017 году было представлено как теоретическое предложение, теперь становится практическим инструментом для изучения природы компактных объектов", - сказал Кришненду. "Гравитационно-волновые детекторы готовятся к пятому запуску, и ожидается, что примерно к 2029 году их чувствительность значительно повысится. В то же время планируется создание детекторов третьего поколения, и их научные возможности активно изучаются во всем мире.
|
|
|
|
"Вместе с предлагаемыми космическими обсерваториями, такими как LISA, эти установки предоставят нам доступ к гораздо большему числу источников гравитационных волн, которые являются более разнообразными. Это могло бы позволить нам не только наложить более строгие ограничения на экзотические альтернативы черным дырам, но и потенциально обнаружить свидетельства существования новых форм компактной материи".
|
|
|
|
В рамках своих будущих исследований Кришненду планирует разработать другие методы, которые можно было бы использовать для идентификации экзотических компактных объектов на основе данных о гравитационных волнах. Кроме того, она также хотела бы создать более реалистичные численные модели, которые предсказывали бы внутреннюю динамику компактных объектов за пределами черных дыр.
|
|
|
|
"Я искренне заинтригован возможностью обсудить эти результаты с физиками, изучающими элементарные частицы, которые изучают эти объекты, чтобы получить их представление о том, как такие наблюдения могут помочь исследовать явления физики элементарных частиц в экстремальных режимах, которые невозможно воспроизвести в наземных экспериментах", - сказал Адитья Виджайкумар, соавтор статьи.
|
|
|
|
"Однако важно отметить, что это ограничение применимо только к объекту в данном конкретном двоичном коде. Мы пока не можем сделать более широких заявлений о существовании этих объектов во Вселенной в целом. Тем не менее, я уверен, что эти методы вдохновят как нашу команду, так и других специалистов на решение этой проблемы на популяционном уровне путем объединения данных о множественных гравитационно-волновых явлениях".
|
|
|
|
В конечном итоге исследователи также хотели бы объединить свои измерения с анализом приливной деформации объектов. Приливная деформация - это изменение формы объекта, вызванное неравномерным гравитационным притяжением другого близлежащего объекта.
|
|
|
|
"Это может дать нам доступ к более строгим ограничениям для этих экзотических моделей", - добавил Виджайкумар. "Теоретическое моделирование приливной деформации для этих объектов с высокой скоростью вращения довольно сложное, но я в восторге от всей новой физики, которую мы узнаем, как только это сделаем!"
|
|
|
|
Источник
|
