Гравитационные волны, порожденные слиянием двух черных дыр, не ограничиваются простыми колебаниями. К такому выводу ученые пришли, расшифровав предсказанный Эйнштейном специфический «звон» новорожденных космических «монстров».
Авторы исследования, недавно опубликованного в журнале Physical Review Letters,
обнаружили, что рожденные в результате слияния черные дыры испускают не только основные — квазинормальные — гравитационные волны, но и вторичные, возникающие в результате их нелинейного взаимодействия. Поясним: до сих пор внимание уделялось только линейным квазинормальным модам (quasinormal modes, QNM), описывающим реакцию черной дыры на возмущения, вызванные изменением внешнего гравитационного поля.
Однако, поскольку Общая теория относительности нелинейна, сами волны могут взаимодействовать друг с другом, порождая более сложные, вторичные сигналы — тот самый «звон», предсказанный ОТО. Точно описать и измерить его удалось международной исследовательской группе под руководством Нива Кхера (Neev Khera) из Гуэлфского университета (Канада), систематизировав все возможные взаимодействия между колебаниями, возникающими при слиянии черных дыр.
Применив два метода численного моделирования, физики определили, как основные квазинормальные моды взаимодействуют между собой и формируют новые типы сигналов. Еще они обнаружили необычный эффект симметрии — один из четырех возможных каналов взаимодействия. Последний, как оказалось, полностью исчезает независимо от вращения или массы черной дыры.
Результаты показали, что нелинейные взаимодействия между колебаниями порождают вторичные (или квадратичные) гравитационные волны. Открытие устраняет прежние противоречия между теорией и данными численного моделирования. Ранее некоторые амплитуды сигналов, предсказанных ОТО, не совпадали с численными моделями.
Поскольку современные детекторы гравитационных волн не могут уловить «звон» черных дыр, ученые предположили, что справиться с задачей помогут будущие обсерватории, в частности Cosmic Explorer (наземная) и LISA (космическая). Это важно: квадратичные моды представляют собой новый тип сигнала, в котором содержится информация о гравитационных взаимодействиях в экстремальных условиях, а их анализ позволит экспериментально проверить нелинейность ОТО.
«Когда мы поймаем „звон“ черной дыры, то услышим язык гравитации. Более того, включение этих сигналов в будущие модели способно помочь в поисках возможных отклонений и новой физики», — подытожил соавтор новой научной работы Хуань Ян (Huan Yang) из Университета Цинхуа (Китай).