Прослушивание «звона», издаваемого черными дырами после их столкновения и слияния, позволит ученым проверить общую теорию относительности Эйнштейна в самых экстремальных условиях во Вселенной. Астрофизики Бирмингемского Университета демонстрируют, как «спектроскопия» черных дыр стремительно превращается из теоретической концепции в мощную экспериментальную науку.
Во время фазы «спада» после столкновения и слияния вновь образованная черная дыра испускает характерные гравитационные волны, известные как «квазинормальные моды». Измеряя эти частоты, ученые могут определить массу черной дыры и скорость ее вращения, а также проверить, верна ли теория Эйнштейна.
С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA зафиксировала сотни слияний чёрных дыр и измерила десятки случаев «обрыва» чёрных дыр по их характерным звукам. Пока что все зафиксированные случаи «обрыва» согласуются с общей теорией относительности, но возможности современных детекторов ограничены.
Соруководитель обзора доктор Грегорио Карулло из Бирмингемского университета сказал: «Слушая звон только что образовавшихся черных дыр, мы превращаем гравитационные волны в инструмент для изучения самых глубоких вопросов физики — от природы самой гравитации до возможности открытия совершенно новых форм материи и энергии».
Столкновения черных дыр генерируют интенсивные гравитационные поля, которые невозможно воссоздать в земных лабораториях. Исследователи обнаружили:
- множественные звонкие обертоны, аналогичные гармоникам в музыкальных инструментах.
- Взаимодействие мод, при котором колебания влияют друг на друга.
- Возбуждение динамических мод.
- Исключительные точки, в которых моды сливаются и ведут себя необычным образом.
- «Хвосты» излучения, усиленные слияниями в плотных астрофизических средах.
В обзоре говорится, что замедление вращения черных дыр может стать способом проверки явлений, выходящих за рамки стандартной модели физики элементарных частиц, в том числе:
- теорий гравитации, выходящих за рамки теории Эйнштейна;
- темной материи;
- квантовых эффектов вблизи горизонтов черных дыр.
В работе над обзором приняли участие более 70 экспертов из организаций Великобритании, Европы, Северной Америки, Азии и Южной Америки. Это самая полная на сегодняшний день оценка данной области. Работа была подготовлена по итогам крупнейшего международного семинара, посвященного этой теме, который прошел в Датском архитектурном центре в Копенгагене в 2024 году.
Ожидается, что следующее поколение детекторов совершит прорыв в этой области, предоставив ученым инструменты, которые позволят обнаруживать гораздо больше случаев слияния черных дыр и регулярно измерять различные режимы колебаний. Будущие обсерватории должны позволить астрофизикам раскрыть механизмы формирования черных дыр, которые ставят под сомнение существующие модели, гораздо точнее проверить теорию Эйнштейна и заняться поиском новых частиц и взаимодействий.
Размышляя о предстоящих достижениях, Карулло сказал: «По мере того, как детекторы гравитационных волн становятся все более чувствительными, спектроскопия черных дыр обещает превратить их из загадочных объектов в высокоточные лаборатории для изучения сложных астрофизических процессов и раскрытия фундаментальных физических явлений».
[Фото: Aurore Simonnet (SSU/EdEon), LVK, URI; LIGO Collaboration]
