Ученые уточнили поиск альтернатив черным дырам
Гравитационные волны могут сыграть ключевую роль в определении, является ли наблюдаемый компактный объект черной дырой или представляет собой другую гипотетическую структуру. Анализ сигнала GW241011 позволил исследователям исключить некоторые экзотические варианты, хотя окончательное подтверждение природы объекта пока не получено. Как гравитационные волны помогают в поиске «черных дыр-самозванцев» — в материале «Известий». Об этом рассказывает Известия.
Гравитационные волны предоставили возможность изучить необычный объект. Когда две черные дыры сближаются и сливаются, они создают гравитационные волны — колебания пространства-времени, распространяющиеся по Вселенной. Однако аналогичные сигналы могут возникать и при слиянии других компактных объектов, поэтому ученые ищут способы определить, действительно ли источником сигнала была черная дыра.
Справка «Известий»: черные дыры — это области пространства-времени, где гравитация настолько велика, что ничто, даже свет, не может их покинуть.
Одним из методов стал анализ спин-индуцированного квадрупольного момента, который показывает, как вращение объекта изменяет распределение его массы и искажает его форму. Эти изменения оставляют характерный след в гравитационных волнах, который можно попытаться измерить.
Исследователи из Бирмингемского университета, Института теоретической физики Периметра, Канадского института теоретической астрофизики и других научных организаций применили этот метод к сигналу GW241011, зафиксированному детекторами LIGO Hanford в США и Virgo в Италии. Сигнал возник в результате слияния двух компактных объектов, которые первоначально интерпретировались как черные дыры. Результаты были опубликованы в журнале Phys.org.
Более массивный объект имел массу около 19,6 массы Солнца, а второй — около 5,9 массы Солнца. Безразмерный спин более массивного объекта составлял примерно 0,78. Высокая разница в массах, быстрое вращение главного объекта и сильный сигнал позволили с высокой точностью измерить его спин-индуцированный квадрупольный момент.
Ученые проверили «отпечаток» вращения черной дыры. Согласно общей теории относительности, черная дыра описывается только массой и вращением, называемая черной дырой Керра. У других компактных объектов может быть дополнительная внутренняя структура, что приводит к отличиям в мультипольных моментах от предсказанных для черной дыры.
Н.В. Кришненду, соавтор исследования, отметил, что идея была мотивирована фундаментальными вопросами: в общей теории относительности черные дыры полностью характеризуются массой и спином, тогда как экзотические компактные объекты, такие как бозонные звезды, могут иметь дополнительную структуру, изменяющую их мультипольные моменты. В частности, их квадрупольный момент, обусловленный спином, может отличаться от предсказанного для черной дыры Керра.
В работе исследователи рассмотрели несколько вариантов природы объекта, включая бозонные звезды — гипотетические компактные структуры, состоящие из бозонов. Для различных моделей они рассчитали ожидаемые значения спин-индуцированного квадрупольного момента и сравнили их с данными GW241011.
Результаты показали, что некоторые классы экзотических объектов, в частности вращающиеся бозонные звезды с квартичным самодействием, не соответствуют наблюдаемым характеристикам сигнала. Однако полностью исключить все альтернативы черной дыре не удалось: достаточно компактные экзотические объекты все еще могут соответствовать полученным данным.
Один из авторов исследования, Тамара Евстафьева, назвала спин-индуцированный квадрупольный момент своеобразным «отпечатком» объекта в гравитационных волнах. Она пояснила, что квадрупольный момент, вызванный вращением, описывает, как распределение массы компактного объекта искажается его вращением, оставляя характерный отпечаток на гравитационных волнах, испускаемых во время сближения двойной системы.
Авторы работы подчеркивают, что полученный результат не доказывает, что объект GW241011 является черной дырой. Анализ лишь позволяет сузить круг возможных объяснений. Н.В. Кришненду отметил, что их результат не подтверждает, что объект является черной дырой, поскольку достаточно компактные экзотические объекты все еще могут соответствовать данным.
Тем не менее, исследование стало важным этапом в разработке метода, предложенного еще в 2017 году. Ранее гравитационно-волновые наблюдения в целом соответствовали предсказаниям общей теории относительности для двойных черных дыр. GW241011 впервые предоставил подходящие условия для более точного измерения квадрупольного момента благодаря быстрому вращению одного из объектов, большой разнице масс и высокому соотношению сигнала к шуму.
В будущем чувствительность гравитационно-волновых детекторов будет расти. Пятый наблюдательный цикл LIGO и Virgo должен получить существенно более чувствительные данные примерно к 2029 году, а ученые также планируют создание детекторов следующего поколения. Дополнительные наблюдения позволят проверять все больше моделей экзотических компактных объектов.
Таким образом, GW241011 не стал открытием нового типа компактного объекта и не дал окончательного доказательства природы наблюдаемой системы. Однако ученые смогли исключить некоторые альтернативы черной дыре и продемонстрировали, что анализ гравитационных волн постепенно становится инструментом для изучения внутреннего устройства наиболее экстремальных объектов Вселенной.
