Коли дві чорні діри зливаються, простір-час навколо них ще деякий час «дзвенить» гравітаційними хвилями. Команда з Кембриджського університету запропонувала новий спосіб розкласти це кільцювання на окремі «ноти», що може зробити перевірки загальної теорії відносності значно точнішими. Про роботу розповідає видання SciTechDaily.
Як чорні діри «дзвенять» після злиття
Після зіткнення двох чорних дір утворюється більша, яка деякий час не є повністю стабільною. Вона випромінює гравітаційні хвилі — ряби у просторі-часі, які ще на початку ХХ століття передбачив Альберт Ейнштейн.
Частоти цих коливань залежать від маси та спіну фінальної чорної діри. Тому за формою сигналу можна відновити властивості об’єкта, що утворився внаслідок злиття.
Такі коливання називають квазінормальними модами. Вони працюють як «відбиток пальця» чорної діри: вимірюючи їх, фізики отримують один із найпряміших способів перевірити загальну теорію відносності в екстремальних гравітаційних умовах.
Новий метод розділяє «ноти» кільцювання
Дослідники з Інституту астрономії Кембриджського університету розробили техніку, яка дозволяє точніше ідентифікувати та каталогізувати ці моди. У роботі, опублікованій у Physical Review Letters, вони проаналізували комп’ютерні симуляції злиття чорних дір і змогли виявити не лише основну, найгучнішу «ноту» кільцювання, а й слабші обертони, які згасають набагато швидше.
За словами першого автора дослідження Річарда Дайєра (Richard Dyer), найпотужніша мода зазвичай добре помітна в даних гравітаційно-хвильових детекторів. Натомість тихіші моди виявити значно складніше, і серед науковців тривала дискусія, які саме моди присутні в сигналі та коли вони з’являються.
Нова методика пропонує систематичний, орієнтований на дані підхід до розв’язання цієї невизначеності та створює еталон для теоретичних робіт і аналізу реальних спостережень.
У центрі підходу — байєсівський аналіз, статистичний метод, який порівнює конкуруючі пояснення й оцінює, яке з них найімовірніше для конкретного набору даних.
Слабкіші моди показують складнішу картину
Окрім основних мод і обертонів, команда виявила в симуляціях незвичні нелінійні моди. Вони виникають, коли взаємодіють дві чи більше фундаментальні частоти, породжуючи складніші сигнали. Автори порівнюють це з додатковими тонами, які з’являються, коли електрогітару грають із сильною дисторсією.
Щоб побачити такі моди, потрібні дуже якісні дані та ретельний аналіз: слабкі сигнали необхідно відокремити від шуму, не втративши при цьому справжню фізичну інформацію.
Дайєр наголошує, що кільцювання — один із найпряміших інструментів вивчення чорних дір, але витягти з нього всю інформацію надзвичайно складно. Саме тому команда прагнула створити принциповий, статистично обґрунтований спосіб роботи з цими даними.
Що це дає для перевірки теорії Ейнштейна
Річард Дайєр та його колега Крістофер Мур (Christopher J. Moore) протестували метод на відкритому каталозі високоточних чисельних симуляцій. Ці розрахунки простежують гравітаційні хвилі аж до теоретичної межі, де сигнал можна вважати «чистим».
У симуляціях розглядалися злиття з широким діапазоном масових співвідношень і конфігурацій спінів. Дослідники фіксували, які саме моди вдається виявити та на яких етапах кільцювання вони проявляються.
Отримані карти мод, за їхніми словами, можуть допомогти інтерпретувати дані нинішніх гравітаційно-хвильових обсерваторій, зокрема LIGO та Virgo, а також майбутніх детекторів. Заздалегідь знаючи, які частоти ймовірні для певного типу злиття, можна точніше перевіряти загальну теорію відносності — наприклад, чи має фінальна чорна діра саме ті характеристики, які передбачають рівняння Ейнштейна.
Таким чином, новий статистичний підхід не лише уточнює «музику» чорних дір, а й посилює один із ключових інструментів перевірки фундаментальних законів гравітації.