Анализ гравитационных волн помогает разоблачать ложные черные дыры

Черная дыра может оказаться вовсе не черной и даже не дырой. Ученые нашли способ проверить это по «отпечатку» гравитационных волн.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Черные дыры принято считать одними из самых «надежных» объектов во Вселенной. Если что-то настолько сильно искривляет пространство-время, что свет уже не может выбраться наружу, сомнений в природе объекта вроде бы быть не должно. Но астрофизики допускают существование экзотических компактных сущностей, которые способны выдавать себя за черные дыры. Теперь ученые придумали способ разоблачать таких космических «самозванцев». Научная статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Исследователи из Университета Бирмингема, Исследовательского института в Ватерлоо (Perimeter Institute for Theoretical Physics), Канадского института теоретической астрофизики и других научных центров изучили гравитационно-волновое событие GW241011. Его зарегистрировали детекторы LIGO Hanford в США и Virgo в Италии в октябре 2024 года.

Один космический «звон» оказался особенно говорящим

Событие GW241011 возникло при слиянии двух компактных объектов. Расчеты показывают, что их массы составляли примерно 19,6 и 5,9 солнечной массы (M⊙). При этом более тяжелый объект вращался очень быстро: его так называемый безразмерный спин оценили примерно в 0,78. Для справки: скорость вращения черных дыр оценивают не в оборотах за единицу времени, а по особой шкале, где 0 — статичная черная дыра Шварцшильда, а 1 — вращающаяся бесконечно быстро черная дыра Керра.

Сигнал оказался достаточно сильным — его отношение сигнал/шум в сети детекторов достигало примерно 36.

Именно сочетание этих трех факторов — существенной разницы масс, быстрого вращения и высокого качества гравитационно-волнового сигнала — позволило ученым с необычной точностью измерить так называемый спин-индуцированный квадрупольный момент.

Звучит сложно, но смысл достаточно нагляден. Вращение деформирует распределение массы компактного объекта, и эта деформация оставляет характерный след в гравитационных волнах. У обычной вращающейся черной дыры Керра такой «отпечаток» должен соответствовать конкретному прогнозу общей теории относительности. А вот у экзотического объекта все может быть иначе.

Ученые не стали заранее считать GW241011 слиянием черных дыр. Они позволили данным самим показать, насколько измеренный квадрупольный момент отличается от ожидаемого для черной дыры Керра. Для этого использовали байесовскую оценку параметров и модели гравитационно-волнового сигнала, в которых квадрупольный момент каждого объекта мог меняться независимо.

Квадрупольный момент, вызванный вращением, — это особое свойство, которое описывает, как распределение массы компактного объекта искажается при его вращении, оставляя характерный отпечаток на гравитационных волнах, испускаемых во время совместного вращения при слиянии. Поскольку это искажение зависит от внутренней структуры объекта — от того, из чего он состоит, — разные типы компактных объектов могут иметь разные квадрупольные моменты.Тамара Евстафьева соавтор статьи, аспирантка института Ватерлоо.

Космический маскарад пока не раскрыт окончательно

Одним из альтернативных вариантов стали бозонные звезды — гипотетические компактные объекты, состоящие из бозонов. Их внутренняя структура отличается от черных дыр, поэтому и гравитационный «почерк» должен быть другим.

Результат моделирования оказался довольно неприятным для целого ряда альтернатив. Некоторые модели экзотических компактных объектов, в том числе вращающиеся бозонные звезды, не согласовались с данными GW241011 и были исключены из гонки.

Но ставить точку ученые не спешат. Достаточно плотные экзотические объекты с компактностью C ≳ 0,24 все еще способны соответствовать наблюдениям. Исследование не доказывает, что обнаруженное событие было именно слиянием черных дыр. Оно существенно сужает «окно возможностей».

По сути, астрофизики перешли от вопроса «похоже ли это на черную дыру?» к гораздо более строгому: «какие именно альтернативы еще способны пережить проверку данными?».

Метод начали разрабатывать еще в 2017 году. GW241011 стал особенно удачным испытанием, потому что характеристики события позволили впервые измерить нужный параметр с высокой точностью.

В дальнейшем возможности этого подхода должны вырасти. LIGO и другие детекторы готовятся к новым наблюдениям, а будущие установки, включая космический проект LISA, смогут дать ученым гораздо больше гравитационно-волновых событий для сравнительного анализа. Чем больше таких сигналов накопится, тем сложнее будет спрятаться космическому «самозванцу».

Это может дать нам доступ к более строгим ограничениям для экзотических моделей. Теоретическое моделирование приливной деформации для объектов с высокой скоростью вращения довольно сложно, но я в восторге от всей новой физики, которую мы познаем!Адитья Виджайкумар соавтор статьи, Канадский институт теоретической астрофизики.

Недавно мы рассказали о том, как астрофизики нашли «волосы» черных дыр.

космосАстрономияАстрофизикаПоделиться