Ученые выяснили как по гравитационным волнам искать материю вокруг черных дыр
Гравитационный «звон» черных дыр может рассказать о том, что скрывается в их окрестностях. Ученые выяснили, какие изменения в затухающих волнах могут указывать на так называемые волосы черных дыр — дополнительную материю или отклонения от стандартной модели.
Источник: Ariadna Uxue Palomino Ylla, Nagoya University. Художественное изображение гравитационных волн.
МОСКВА, 8 сентября./Новости науки/. Ученые из Университета Нагои предложили способ выявлять скрытую материю вокруг черных дыр по изменениям гравитационных волн, возникающих после их слияния. Об этом говорится в статье, опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
«Затухающие колебания могут не только показать, что на черную дыру воздействует что-то дополнительное; то, как меняется сигнал, также может дать нам подсказки о том, что на самом деле представляет собой эта скрытая материя», — приводятся в тексте слова первого автора исследования, аспирантки Высшей школы естественных наук Университета Нагои Ариадны Ушуэ Паломино Йильи.
После столкновения и слияния двух черных дыр образовавшийся объект некоторое время испытывает затухающие колебания, подобные звону колокола, и испускает гравитационные волны с определенными частотами. Этот этап называется рингдауном. Для простейшей черной дыры в рамках общей теории относительности его характеристики зависят только от массы объекта и скорости его вращения.
Исследователи предположили, что находящаяся рядом с черной дырой скрытая материя также должна влиять на параметры рингдауна. Такая дополнительная структура в теоретической физике получила название «волос черной дыры». Для проверки этого ученые добавили небольшое количество скрытой материи в стандартные модели черных дыр и с помощью уравнений Эйнштейна рассчитали изменения частоты и скорости затухания колебаний.
Подход проверили на трех известных теоретических моделях черных дыр. Кроме того, ученые распространили расчеты на вращающиеся черные дыры, отдельно рассмотрев свет, движущийся по орбитам как в направлении вращения объекта, так и против него.
Разные изменения частоты и затухания
Одним из основных результатов стало то, что частота рингдауна и скорость затухания его волн изменяются неодинаково. Характер различий зависит от количества скрытой материи и распределения ее давления вокруг черной дыры. Поэтому параметры сигнала потенциально могут указывать не только на присутствие дополнительной материи, но и на некоторые ее свойства.
Для вращающихся черных дыр влияние скрытой материи также зависит от направления движения относительно вращения самой черной дыры. Она по-разному изменяет частоту и скорость затухания волн в случаях, когда движение происходит по направлению вращения или против него. Конкретная картина при этом зависит от типа скрытой материи.
Как отмечают авторы, предложенный метод позволяет не рассчитывать воздействие каждого возможного вида «волос» черной дыры с нуля, а использовать общий подход для оценки того, как дополнительная материя или неизвестные физические эффекты могут менять рингдаун. В дальнейшем такие наблюдения могут помочь определять размер и вращение черной дыры, а также выявлять возможную скрытую материю в ее окрестностях.
«Затухающие колебания могут не только показать, что на черную дыру воздействует что-то дополнительное; то, как меняется сигнал, также может дать нам подсказки о том, что на самом деле представляет собой эта скрытая материя», — приводятся в тексте слова первого автора исследования, аспирантки Высшей школы естественных наук Университета Нагои Ариадны Ушуэ Паломино Йильи.
После столкновения и слияния двух черных дыр образовавшийся объект некоторое время испытывает затухающие колебания, подобные звону колокола, и испускает гравитационные волны с определенными частотами. Этот этап называется рингдауном. Для простейшей черной дыры в рамках общей теории относительности его характеристики зависят только от массы объекта и скорости его вращения.
Исследователи предположили, что находящаяся рядом с черной дырой скрытая материя также должна влиять на параметры рингдауна. Такая дополнительная структура в теоретической физике получила название «волос черной дыры». Для проверки этого ученые добавили небольшое количество скрытой материи в стандартные модели черных дыр и с помощью уравнений Эйнштейна рассчитали изменения частоты и скорости затухания колебаний.
Подход проверили на трех известных теоретических моделях черных дыр. Кроме того, ученые распространили расчеты на вращающиеся черные дыры, отдельно рассмотрев свет, движущийся по орбитам как в направлении вращения объекта, так и против него.
Разные изменения частоты и затухания
Одним из основных результатов стало то, что частота рингдауна и скорость затухания его волн изменяются неодинаково. Характер различий зависит от количества скрытой материи и распределения ее давления вокруг черной дыры. Поэтому параметры сигнала потенциально могут указывать не только на присутствие дополнительной материи, но и на некоторые ее свойства.
Для вращающихся черных дыр влияние скрытой материи также зависит от направления движения относительно вращения самой черной дыры. Она по-разному изменяет частоту и скорость затухания волн в случаях, когда движение происходит по направлению вращения или против него. Конкретная картина при этом зависит от типа скрытой материи.
Как отмечают авторы, предложенный метод позволяет не рассчитывать воздействие каждого возможного вида «волос» черной дыры с нуля, а использовать общий подход для оценки того, как дополнительная материя или неизвестные физические эффекты могут менять рингдаун. В дальнейшем такие наблюдения могут помочь определять размер и вращение черной дыры, а также выявлять возможную скрытую материю в ее окрестностях.
