Учёный из Токийского столичного университета решил давнюю загадку, связанную с «диссонансом» в гравитационных волнах, испускаемых чёрными дырами. На протяжении почти 30 лет физики не могли понять, почему в вычислениях одного из типов колебаний чёрной дыры возникал сбой — одно из них «вело себя» совершенно не так, как остальные. Теперь благодаря высокоточной математике и свежему подходу в теоретической физике удалось установить, что этот эффект был не ошибкой, а результатом резонанса между двумя специфическими колебательными режимами.
Чёрные дыры — это объекты с такой плотностью, что даже свет не может вырваться из-под их гравитационного влияния. Однако по-настоящему изучать, как они ведут себя, учёные начали только в последние десять лет — с развитием астрономии гравитационных волн. Именно эти волны фиксируют глобальные научные установки вроде LIGO, Virgo и японского KAGRA: они улавливают рябь в пространственно-временном континууме, возникающую при слиянии чёрных дыр. Это словно эхо гигантских колоколов Вселенной.
В 1997 году аспирант Токийского технологического института Хисаси Онозава заметил странность в математической модели: один из «звуков» этой вселенской симфонии — один из колебательных мод чёрной дыры — выделялся и не вписывался в общую картину. Тогда многие решили, что это либо ошибка, либо артефакт несовершенного вычислительного метода. Но по мере развития технологий этот странный сигнал продолжал появляться снова и снова, оставаясь необъяснённым.
Решение предложил Хаятo Мотохаши, ныне доцент Токийского столичного университета. Он использовал точнейшие расчёты и современную теорию, известную как неабелевская (или нехермитовская) физика — новое направление, изучающее системы, в которых нарушаются классические симметрии. Выяснилось, что «диссонанс» — это не сбой, а закономерное следствие резонанса между двумя модами. Более того, такие резонансы — не редкость, а универсальное явление: они проявляются в разных режимах и при разных типах колебаний.
Интересно, что такие явления проявляются не только в астрофизике, но и, например, в оптической физике — только там взаимодействуют не гравитационные, а электромагнитные волны. Это открытие стало основой для новой научной области — нехермитовской гравитационной физики. Она обещает дать мощный толчок к более глубокому пониманию данных, которые уже собираются коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA, и, возможно, позволит в будущем анализировать чёрные дыры по их «звуковым портретам» с точностью, сравнимой с анализом спектра звёзд.