Международная группа исследователей представила новую статистическую методику, которая позволяет значительно точнее анализировать гравитационные волны от столкновений черных дыр. Ученые считают, что технология поможет глубже понять поведение этих экстремальных объектов и проверить фундаментальные законы физики в условиях, недостижимых на Земле.
Исследование посвящено так называемому «звону» черных дыр — процессу, который возникает после слияния двух гигантских объектов. Когда черные дыры сталкиваются, образуется новая, более массивная черная дыра. В первые мгновения после слияния она остается нестабильной и начинает колебаться, испуская гравитационные волны.
Именно эти колебания ученые сравнивают со звоном колокола или вибрацией струны музыкального инструмента.
Что такое гравитационные волны
Гравитационные волны представляют собой рябь пространства-времени.
Их существование было предсказано еще Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности.
Однако впервые напрямую зарегистрировать такие волны удалось только в 2015 году при помощи обсерватории LIGO. Это событие стало одним из крупнейших научных прорывов XXI века.
Гравитационные волны возникают во время самых мощных процессов во Вселенной:
- столкновений черных дыр;
- слияний нейтронных звезд;
- коллапсов массивных звезд;
- ускоренного движения сверхплотных объектов.
Черные дыры после столкновения не становятся сразу стабильными
Многие представляют столкновение черных дыр как мгновенное событие.
На самом деле процесс проходит несколько стадий:
- сближение объектов;
- быстрое вращение вокруг общего центра;
- слияние;
- фаза колебаний;
- постепенная стабилизация новой черной дыры.
Именно последняя стадия особенно интересует ученых.
После слияния пространство-время вокруг объекта начинает «вибрировать».
Ученые называют это ringdown-фазой
В англоязычной астрофизике используется термин ringdown.
Это период, когда новая черная дыра теряет остаточные деформации и приходит к устойчивому состоянию.
Во время этого процесса возникают характерные колебания.
Каждая черная дыра обладает собственным набором таких «нот».
Черные дыры имеют собственные «частоты»
Колебания зависят от свойств объекта:
- массы;
- скорости вращения;
- распределения энергии;
- геометрии пространства-времени вокруг него.
Фактически ученые получают своеобразный «акустический отпечаток» черной дыры.
По этим сигналам можно определить параметры объекта.
Главная проблема — сигналы очень сложны
Хотя гравитационные волны уже регистрируются регулярно, их анализ остается чрезвычайно трудной задачей.
Причины связаны с тем, что:
- сигналы крайне слабы;
- данные содержат шум;
- колебания быстро затухают;
- несколько режимов вибраций накладываются друг на друга.
Из-за этого часть информации может оставаться скрытой.
Исследователи использовали байесовский анализ
Новая работа основана на статистическом подходе, известном как Bayesian analysis.
Этот метод позволяет:
- сравнивать вероятности разных моделей;
- выделять наиболее вероятные сигналы;
- отделять шум от полезных данных;
- находить слабые закономерности.
Подобные методы активно применяются:
- в астрофизике;
- в климатологии;
- в медицине;
- в обработке больших данных;
- в искусственном интеллекте.
Ученые смогли обнаружить более слабые колебания
Ранее астрономы обычно фиксировали только самые сильные колебательные режимы черных дыр.
Но новая техника позволила лучше выделять более слабые «обертоны».
Авторы исследования сравнивают их с гармониками музыкальных инструментов.
Подобные сигналы быстро исчезают, поэтому обнаружить их крайне сложно.
Обертоны помогают точнее изучать черные дыры
Каждый дополнительный режим колебаний содержит новую информацию.
Это позволяет:
- точнее измерять массу объекта;
- определять скорость вращения;
- проверять общую теорию относительности;
- искать возможные отклонения от известных законов физики.
Ученые обнаружили и необычные нелинейные сигналы
Одним из самых интересных результатов стали признаки так называемых нелинейных мод.
Это более сложные колебания, возникающие при взаимодействии нескольких вибрационных режимов одновременно.
Авторы сравнивают их с искаженным звучанием электрогитары, где разные гармоники смешиваются между собой.
Черные дыры становятся лабораторией экстремальной физики
На Земле невозможно воспроизвести условия, существующие рядом с черными дырами.
Речь идет о:
- колоссальной гравитации;
- экстремальной плотности энергии;
- сильнейших искривлениях пространства-времени;
- сверхвысоких скоростях.
Поэтому наблюдение гравитационных волн дает физикам уникальную возможность тестировать фундаментальные теории.
Общая теория относительности проходит новые проверки
С момента открытия гравитационных волн ученые постоянно проверяют предсказания Эйнштейна.
Пока наблюдения хорошо согласуются с общей теорией относительности.
Но многие физики предполагают, что при экстремальных условиях могут проявляться новые эффекты.
Исследования могут помочь поиску новой физики
Современная физика сталкивается с несколькими крупными проблемами:
- квантовая механика плохо сочетается с гравитацией;
- неизвестна природа темной материи;
- не объясняется темная энергия;
- остается открытым информационный парадокс черных дыр.
Изучение столкновений черных дыр может помочь найти признаки новых физических явлений.
Гравитационные волны открыли новую эпоху астрономии
До недавнего времени астрономия в основном изучала электромагнитное излучение:
- видимый свет;
- радиоизлучение;
- рентген;
- инфракрасные волны.
Но гравитационные волны позволяют исследовать Вселенную совершенно другим способом.
Это фактически новая форма наблюдения космоса.
Черные дыры невозможно увидеть напрямую
Черные дыры не излучают свет.
Поэтому ученые изучают их косвенно:
- по движению окружающего вещества;
- по излучению аккреционных дисков;
- по влиянию на звезды;
- по гравитационным волнам.
Именно гравитационные сигналы сейчас считаются одним из наиболее информативных инструментов.
Современные детекторы становятся все чувствительнее
Главными обсерваториями для регистрации гравитационных волн остаются:
- LIGO в США;
- Virgo в Европе;
- KAGRA в Японии.
Каждое новое поколение оборудования позволяет регистрировать более слабые сигналы.
В будущем появятся еще более мощные системы
Планируются новые проекты:
- Einstein Telescope;
- Cosmic Explorer;
- космическая обсерватория LISA.
Они смогут изучать гораздо больше столкновений черных дыр и получать данные более высокого качества.
Компьютерное моделирование играет огромную роль
Для анализа столкновений используются сложнейшие численные симуляции.
Ученые моделируют:
- поведение пространства-времени;
- движение черных дыр;
- форму гравитационных волн;
- затухание колебаний.
Без суперкомпьютеров подобные расчеты были бы практически невозможны.
Черные дыры могут рассказать о ранней Вселенной
Некоторые исследователи считают, что гравитационные волны способны хранить информацию о событиях, произошедших вскоре после Большого взрыва.
В перспективе это может помочь изучать:
- раннюю эволюцию галактик;
- происхождение сверхмассивных черных дыр;
- распределение материи;
- историю космических столкновений.
Интерес к черным дырам резко вырос после открытия LIGO
Еще несколько десятилетий назад черные дыры оставались в основном теоретическими объектами.
Сегодня они стали одной из центральных тем современной астрофизики.
Особенно после:
- первой регистрации гравитационных волн;
- получения изображения тени черной дыры телескопом Event Horizon Telescope;
- массового открытия новых слияний.
Ученые постепенно учатся «слушать» Вселенную
Авторы новой работы подчеркивают, что главная цель подобных методов — извлечение максимального количества информации из гравитационных сигналов.
Если раньше исследователи могли различать только основные «ноты» столкновения черных дыр, то теперь появляется возможность анализировать более сложную структуру колебаний.
Это приближает астрономов к созданию своеобразной «гравитационной спектроскопии» черных дыр — метода, который позволит изучать их свойства с беспрецедентной точностью.
Черные дыры становятся одним из главных инструментов современной космологии
Еще недавно эти объекты считались почти недоступными для наблюдений.
Теперь же они превращаются в важнейший источник информации о фундаментальных законах Вселенной.
Новая статистическая методика показывает, что даже короткие и слабые сигналы после столкновений черных дыр могут содержать огромный объем данных — нужно лишь научиться правильно их расшифровывать.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
