Физики научились лучше расшифровывать «пение» черных дыр
Ученые из Японии предложили новый способ точно рассчитывать звуки черных дыр — колебания пространства-времени, которые возникают после слияния этих объектов и могут быть зафиксированы на Земле. Исследование обещает повысить точность будущих наблюдений гравитационных волн.
Когда черная дыра сталкивается с другой или подвергается сильному возмущению, она начинает колебаться, но постепенно это колебание затухает. Это как ударить по колоколу — постепенно он перестанет вибрировать, а звон стихнет. Астрофизики описывают этот эффект квазинормальными модами. Они похожи на затухающие звуковые волны, только распространяются не в воздухе, а в ткани пространства и времени.
Эти волны создают гравитационные колебания, которые фиксируют детекторы, такие как LIGO и Virgo. По ним ученые определяют массу, форму и другие свойства черной дыры. Но чем быстрее затухает волна, тем сложнее рассчитать ее параметры с помощью обычных теоретических методов. Это ограничивает точность анализа и интерпретации данных.
Чтобы преодолеть это ограничение, физики из Киотского университета обратились к математическому подходу, который до сих пор редко использовался в физике. Они применили метод Вентцеля–Крамерса–Бриллюэна (ВКБ). В русскоязычной науке он известен как квазиклассическое приближение. Он давно известен математикам, но в контексте черных дыр до сих пор почти не применялся. Автор исследования Тайга Мияти отметил, что этот метод развивали в основном японские математики, поэтому он особенно близок ему и интеллектуально, и культурно.
Суть подхода в том, что ученые прослеживают, как ведет себя волна, начиная с окрестностей черной дыры и до далеких участков пространства. Чтобы описать это поведение, они перевели уравнения в комплексную плоскость, то есть использовали комплексные числа. Такой переход помогает рассмотреть более сложную структуру гравитационного поля. Оказалось, что важную роль играют спиральные траектории, которые в обычных расчетах не учитываются. Эти линии, называемые кривыми Стокса, указывают, где волна внезапно меняет свое поведение.
Результаты показали, что новая методика действительно позволяет точно рассчитать частотную структуру даже самых быстро затухающих колебаний. Это значит, что теперь можно будет точнее сопоставлять данные наблюдений с предсказаниями теории. Команда подчеркивает, что раньше такие спирали просто не замечали, а они оказались ключом к полной картине. По словам Мияти, исследователи были удивлены, насколько сложной и красивой оказалась эта внутренняя структура.
В перспективе это может улучшить методы наблюдения гравитационных волн и приблизить ученых к пониманию устройства Вселенной и природы пространства-времени. Возможно, в далеком будущем колебаниям черных дыр найдут практическое применение. Статью опубликовали в журнале Physical Review D.
Самое популярное
