Учёные предложили и успешно проверили новый способ изучения особого явления, которое происходит после столкновения чёрных дыр. Это столкновение — одно из самых мощных событий во всей Вселенной. В результате него образуется новая, более массивная чёрная дыра.
Сразу после своего рождения эта новая чёрная дыра начинает успокаиваться и приходить в состояние покоя. Этот процесс можно сравнить со звоном колокола, который постепенно затихает. Физическая суть этого "звона" заключается в том, что чёрная дыра испускает невидимые волны — гравитационные волны. Их существование предсказал великий учёный Альберт Эйнштейн в своей Общей теории относительности.
У этого "звона" есть свой особый набор звуков — дискретный спектр частот и скоростей затухания. Эти характеристики строго зависят от массы и скорости вращения новой чёрной дыры. Поэтому их можно считать своего рода уникальным "отпечатком пальца" или спектральной подписью, которая принадлежит только ей.
Обнаружение и изучение этих сигналов имеет огромное значение для науки. Это позволяет проверить, насколько верна теория Эйнштейна в условиях экстремальной гравитации.
В своей работе, опубликованной в известном научном журнале Physical Review Letters, коллектив исследователей из Кембриджского университета создал специальный алгоритм. Он позволяет с высокой точностью находить и записывать эти спектральные подписи. Новый метод помог учёным не только услышать самую громкую "основную ноту", но и различить более тихие и сложные обертоны (призвуки, возникающие вместе с основным тоном, но звучат выше), которые быстро затухают.
Для анализа данных учёные использовали надёжный математический метод, основанный на теории вероятностей (так называемый "байесовский подход"). Этот инструмент позволяет объективно оценивать различные научные модели и разрешать споры о том, какие именно сигналы мы "слышим" и как они меняются со временем. Как отметил первый автор исследования Ричард Дайер, этот метод даёт учёным точный и основанный на фактах инструмент для работы.
Кроме того, в ходе обработки данных были обнаружены и очень сложные колебания — так называемые нелинейные моды. Они возникают, когда несколько основных частот взаимодействуют друг с другом. Чтобы их найти, потребовались сложнейшие компьютерные расчёты и специальные методы для отделения полезного сигнала от фонового шума.
Чтобы убедиться в правильности своего метода, учёные проверили его на большой базе точных компьютерных моделей гравитационно-волновых сигналов. Они рассмотрели самые разные варианты слияния двойных систем с различными массами и скоростями вращения.
Полученные результаты открывают большие возможности для науки. Они помогут учёным лучше понимать данные, которые поступают от современных детекторов гравитационных волн (LIGO, Virgo), и от будущих проектов.
Систематизация этих знаний позволит проводить очень точные проверки теории относительности. Мы сможем проверить, действительно ли свойства новой чёрной дыры полностью описываются уравнениями Эйнштейна, тем самым подтверждая важные научные принципы о строении нашей Вселенной.