Чорні діри після зіткнення не просто зливаються в один об’єкт і завмирають. Нова чорна діра ще деякий час буквально «дзвенить», випускаючи гравітаційні хвилі. І в цьому короткому сигналі фізики можуть знайти сліди того, чого ми поки не бачимо.
Команда з Університету Нагої в Японії дослідила так званий ringdown — затухаючий сигнал, який виникає після злиття двох чорних дір. Він нагадує звук дзвона після удару, тільки замість звукових хвиль простором проходять гравітаційні.
Чорна діра може мати «волосся»
У найпростішій версії теорії відносності сигнал чорної діри визначається переважно двома параметрами — її масою та швидкістю обертання.
Але фізики давно припускають, що навколо чорної діри може ховатися додаткова матерія або проявлятися відхилення від передбачень Ейнштейна. Для цього навіть існує образна назва — «волосся» чорної діри. Якщо воно справді існує, чорна діра повинна «дзвеніти» трохи інакше.
Секрет може бути у двох параметрах
Дослідники з’ясували, що прихована матерія може по-різному змінювати частоту гравітаційних хвиль і швидкість, з якою вони затухають.
Саме ця невідповідність може стати своєрідним маркером нової фізики. Причому для чорних дір, що обертаються, картина ще складніша: сигнал залежить від того, рухаються хвилі разом з обертанням чорної діри чи у протилежному напрямку.
Вчені пов’язали ці зміни з поведінкою світла поблизу чорної діри. Орбіти світла в її надзвичайно сильному гравітаційному полі математично пов’язані з характеристиками ringdown. Це дозволило змоделювати, як різні варіанти «волосся» можуть змінювати сигнал.
Поки що це лише карта пошуку
Найважливіше — дослідники не виявили приховану матерію біля конкретної чорної діри. Йдеться про теоретичні розрахунки, які показують, які саме відхилення варто шукати в реальних гравітаційних хвилях.
Якщо майбутні спостереження знайдуть такий характерний «збій» у дзвоні чорної діри, це може стати новим способом перевірити загальну теорію відносності там, де гравітація досягає екстремальної сили.
І тоді короткий відгомін космічного зіткнення може розповісти фізикам набагато більше, ніж просто про масу та обертання чорної діри — можливо, навіть про фізику, якої ми ще не знаємо. Дослідження опубліковане в журналі Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.