В недавно [опубликованной статье](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.211404) в журнале Physical Review Letters учёные предлагают комплексную теоретическую модель, указывающую на то, что гравитационные волновые сигналы от слияния чёрных дыр более сложны, чем предполагалось ранее.
Когда две чёрные дыры сливаются в космосе
Когда две чёрные дыры сливаются, это не заканчивается простым столкновением. Образовавшаяся чёрная дыра продолжает вибрировать, подобно удару в колокол, создавая гравитационные волны в фазе, которую учёные называют «затуханием».
Исследователи обнаружили, что космические вибрации включают сложные квадратичные взаимодействия мод — вторичные колебания, которые развиваются при взаимодействии первичных мод друг с другом. Это нелинейное поведение было предсказано в теории Эйнштейна [общей теории относительности](https://phys.org/tags/general+relativity/), но до сих пор полностью не охарактеризовано.
Успех теории возмущений второго порядка
Работа устраняет давнее расхождение между теоретическими предсказаниями и численным моделированием поведения чёрных дыр. Ян Хуань, соавтор из Университета Цинхуа, рассказал Phys.org: «Я всегда был очарован различными нелинейными явлениями в общей теории относительности. За последние годы теоретические инструменты для изучения нелинейных возмущений чёрных дыр постепенно стали доступны, поэтому я начал изучать нелинейное звучание чёрных дыр».
Квазинормальные моды
Когда чёрные дыры сливаются, результирующий объект не сразу переходит в стабильное состояние. Вместо этого он колеблется в характерных паттернах, называемых квазинормальными модами (QNMs) — естественными частотами, на которых чёрная дыра вибрирует, поскольку кривизна пространства-времени постепенно возвращается к равновесию.
Предыдущие исследования были сосредоточены в основном на этих линейных модах. Однако общая теория относительности предсказывает, что в экстремальных гравитационных средах вокруг чёрных дыр эти моды должны взаимодействовать и генерировать вторичные колебания.
Методы анализа
Исследовательская группа разработала два независимых аналитических метода для анализа этих взаимодействий: метод комплексного контура и новый подход с гиперболическим временны́м срезом. Последний позволяет избежать математических сложностей, используя специализированные системы координат, которые позволяют напрямую работать с управляющими уравнениями.
Их цель состояла в том, чтобы классифицировать и определить все возможные каналы взаимодействия — различные способы, с помощью которых первичные моды колебаний могут объединяться для создания вторичных сигналов.
Исследователи выявили четыре отдельных канала, обозначенные по тому, как родительские моды вносят вклад в квадратичные эффекты. Примечательно, что они обнаружили, что определённый канал, в котором обе родительские моды вносят вклад с отрицательными коэффициентами, неизменно полностью исчезает, независимо от характеристик чёрной дыры. Это открытие вытекает непосредственно из математической структуры основополагающих уравнений и устанавливает основное ограничение, регулирующее поведение чёрных дыр.
Теоретические предсказания и численное моделирование
Расчёт основан на теоретической модели, называемой «Теорией возмущений чёрных дыр», которой уже более пятидесяти лет. Ян объяснил: «Как новое достижение в нелинейном режиме, она делает предсказания, которые должны соответствовать полностью численному моделированию».
Согласованность между их [теоретическими предсказаниями](https://phys.org/tags/theoretical+predictions/) и существующими симуляциями подтверждает подход после того, как более ранние работы показали озадачивающие расхождения.
Перспективы для гравитационно-волновой астрономии
Теоретический прогресс приходится на решающий момент для гравитационно-волновой астрономии. Современные детекторы, такие как LIGO и Virgo, работают вблизи порога, где эти тонкие вторичные сигналы могут быть обнаружены, в то время как детекторы следующего поколения обещают значительно улучшенную чувствительность.
Исследователи провели всесторонний обзор, чтобы оценить, какие квадратичные моды будут наблюдаться при различных конфигурациях детекторов. Их анализ показывает, что несколько вторичных сигналов могут достичь отношения сигнал/шум выше 8–10 с запланированными наземными детекторами, такими как Cosmic Explorer, в то время как космические миссии, такие как LISA, обещают обнаружение других комбинаций мод.
Оптимальные условия для обнаружения
Команда определила оптимальные условия для обнаружения: бинарные системы со средним соотношением масс и максимально вращающимися чёрными дырами обеспечивают наиболее сильные сигналы. Для наземных детекторов общая масса системы около 60–80 масс нашего Солнца предлагает наилучшие перспективы.
Способность идентифицировать и исследовать эти нелинейные явления обеспечит исключительную экспериментальную проверку общей теории относительности в жёстких гравитационных режимах. Расхождения между наблюдаемой и прогнозируемой силой связи могут указывать на физические явления, выходящие за рамки столетней теории Эйнштейна.
Работа также открывает множество направлений исследований для понимания физики чёрных дыр. Ян предвидит прогресс в изучении нелинейных эффектов за пределами квадратичных для всестороннего описания всего спектра нелинейного поведения в процессах затухания чёрных дыр.
«Существуют различные виды нелинейностей в затухании чёрных дыр; квадратичный режим — это лишь один из них», — пояснил он. «Я считаю, что как только все эти важные нелинейные сигналы будут поняты, мы сможем построить «полный» волновой сигнал затухания, который точно описывает сигнал затухания, начиная с пика слияния».