Астрономы сделали еще один шаг к пониманию одного из самых загадочных процессов в космосе — слияния черных дыр. Исследователи разработали новую математическую модель, которая позволяет значительно точнее описывать поведение недавно образовавшейся черной дыры после столкновения двух ее предшественниц. Работа поможет ученым лучше анализировать данные гравитационно-волновых обсерваторий и глубже понять физику объектов, существующих на границе известных законов природы.
За последнее десятилетие изучение черных дыр переживает настоящую революцию. Если раньше астрономы могли исследовать эти объекты только косвенно, то после первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году появилась возможность буквально «слушать» события, происходящие при столкновениях черных дыр. Именно анализ таких сигналов позволяет ученым получать сведения о массе, вращении и свойствах этих экстремальных объектов.
Что происходит при столкновении черных дыр
Когда две черные дыры вращаются друг вокруг друга, они постепенно теряют энергию через излучение гравитационных волн. По мере сближения скорость движения объектов увеличивается, а сами волны становятся все сильнее.
В финальной стадии две черные дыры сливаются в единый объект. В этот момент в пространство выбрасывается огромное количество энергии. Несмотря на то что черные дыры не излучают свет, столкновение сопровождается мощным всплеском гравитационных волн, который можно зарегистрировать специальными детекторами на Земле.
Подобные события относятся к самым энергетически насыщенным явлениям во Вселенной. За доли секунды в виде гравитационных волн может высвобождаться больше энергии, чем производят все звезды наблюдаемой Вселенной за тот же промежуток времени.
Что такое гравитационные волны
Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном более ста лет назад в рамках общей теории относительности.
Согласно этой теории, пространство и время образуют единую структуру — пространство-время. Когда массивные объекты ускоряются, они создают в этой структуре своеобразные колебания, распространяющиеся со скоростью света.
Гравитационные волны можно сравнить с рябью на поверхности воды после падения камня. Только вместо воды колеблется само пространство-время.
Долгое время существование таких волн оставалось лишь теоретическим предположением. Лишь в XXI веке развитие технологий позволило зарегистрировать их напрямую.
Почему ученых интересует финальная стадия слияния
После объединения двух черных дыр новообразованный объект не сразу приходит в стабильное состояние.
Он некоторое время испытывает сложные колебания и постепенно избавляется от остаточных деформаций. Этот процесс напоминает поведение колокола после удара.
Если ударить по колоколу, он начинает звенеть и постепенно затухает. Аналогично ведет себя и недавно образовавшаяся черная дыра, только вместо звуковых волн она испускает гравитационные.
Именно поэтому астрономы используют термин «звон» черной дыры или ringdown.
Почему «звон» черной дыры так важен
Финальная стадия после слияния содержит огромное количество информации о свойствах черной дыры.
Анализируя характер затухающих гравитационных волн, исследователи могут определить массу объекта, скорость его вращения и некоторые другие параметры.
Кроме того, этот этап считается одним из лучших способов проверки общей теории относительности в экстремальных условиях.
Черные дыры создают настолько сильные гравитационные поля, что любые отклонения от существующих физических теорий должны проявляться именно здесь.
В чем заключалась проблема прежних моделей
Хотя физика процесса в целом хорошо изучена, точное описание поведения черной дыры после слияния остается сложной задачей.
Существующие модели требуют значительных вычислительных ресурсов. Для их создания используются суперкомпьютеры, выполняющие сложнейшие расчеты, связанные с искривлением пространства-времени.
Подобные вычисления занимают много времени и не всегда позволяют быстро интерпретировать данные, поступающие от детекторов гравитационных волн.
Поэтому ученые стремятся создавать более эффективные методы описания процессов, происходящих после столкновения черных дыр.
Что предлагает новая модель
Исследователи разработали подход, который позволяет более точно воспроизводить характер затухающих колебаний после слияния.
Главная задача новой модели заключается в том, чтобы лучше описывать переход от хаотичной фазы столкновения к стабильному состоянию итоговой черной дыры.
Это особенно важно для анализа сигналов, которые регистрируют современные обсерватории гравитационных волн.
Чем точнее ученые смогут описать форму сигнала, тем больше информации удастся извлечь из наблюдений.
Почему черные дыры действительно можно сравнить с музыкальными инструментами
Хотя подобное сравнение может показаться необычным, оно активно используется в современной астрофизике.
Каждая черная дыра обладает собственным набором колебательных режимов. Эти режимы зависят от массы и скорости вращения объекта.
После слияния различные колебания постепенно затухают, формируя уникальную «подпись» черной дыры. Именно ее и пытаются расшифровать исследователи.
В некотором смысле каждая черная дыра имеет свой собственный набор частот, подобно музыкальному инструменту.
Что уже удалось узнать благодаря гравитационным волнам
С момента первого открытия гравитационных волн ученые зарегистрировали десятки столкновений черных дыр.
Эти наблюдения позволили обнаружить объекты с массами, которые ранее считались маловероятными. Некоторые черные дыры оказались значительно тяжелее ожидаемого.
Кроме того, данные помогли лучше понять процессы образования двойных систем и эволюцию массивных звезд.
Каждое новое наблюдение расширяет представления о населении черных дыр во Вселенной.
Почему это важно для проверки законов физики
Общая теория относительности остается одной из самых успешных научных теорий в истории. Однако ученые продолжают искать возможные отклонения от ее предсказаний.
Черные дыры представляют собой уникальные лаборатории для подобных проверок.
В их окрестностях гравитация достигает экстремальных значений, которые невозможно воспроизвести на Земле. Если существуют новые физические эффекты, они могут проявиться именно в поведении черных дыр после столкновений.
Поэтому анализ их «звона» имеет фундаментальное значение для современной науки.
Будущие детекторы увидят гораздо больше
Сейчас основными инструментами для регистрации гравитационных волн являются наземные обсерватории. Однако в ближайшие десятилетия возможности наблюдений существенно возрастут.
Планируется запуск космических гравитационно-волновых детекторов, которые смогут регистрировать сигналы от гораздо более массивных черных дыр и наблюдать события на значительно больших расстояниях.
Такие инструменты будут фиксировать данные с беспрецедентной точностью.
Соответственно возрастет и потребность в моделях, способных правильно интерпретировать полученные сигналы.
Как это связано с историей Вселенной
Черные дыры играют важную роль в эволюции галактик.
В центрах большинства крупных галактик находятся сверхмассивные черные дыры, масса которых может достигать миллионов и даже миллиардов масс Солнца.
Слияния таких гигантов происходят после столкновений галактик и оказывают влияние на дальнейшее развитие звездных систем.
Изучая гравитационные волны, ученые получают возможность исследовать процессы, которые невозможно наблюдать традиционными телескопами.
Фактически речь идет о новом способе изучения истории Вселенной.
Новая эпоха «прослушивания» космоса
Еще недавно астрономия основывалась исключительно на анализе света различных диапазонов — от радиоволн до гамма-излучения. Сегодня к этим инструментам добавился новый канал получения информации — гравитационные волны.
Если обычные телескопы позволяют видеть Вселенную, то гравитационно-волновые обсерватории дают возможность ее «слушать».
Новая модель поведения черных дыр после слияния становится важным инструментом для расшифровки этих космических сигналов. Она позволит точнее определять характеристики черных дыр, глубже проверять фундаментальные законы физики и лучше понимать процессы, происходящие в самых экстремальных уголках Вселенной.
По мере роста чувствительности будущих обсерваторий количество обнаруживаемых столкновений будет стремительно увеличиваться. Это означает, что исследование «звона» черных дыр постепенно превращается в одно из наиболее перспективных направлений современной астрофизики, способное раскрыть новые подробности устройства пространства, времени и самой природы гравитации.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
