Ученые разработали новый способ изучения слабых колебаний гравитационных волн, которые появляются после слияния черных дыр. Когда две черные дыры сталкиваются, процесс не завершается мгновенно: образовавшийся более массивный объект еще некоторое время «звенит», постепенно переходя в устойчивое состояние. Такой подход может сделать проверки общей теории относительности более точными.
Черная дыра, в отличие от колокола или гитарной струны, не издает звука. Ее колебания проявляются в виде гравитационных волн — возмущений пространства-времени, существование которых предсказал Альберт Эйнштейн. Частоты этих сигналов зависят от массы и вращения итоговой черной дыры, поэтому по ним можно получать сведения об объекте, возникшем после слияния.
Такие колебания называют квазинормальными модами, и они служат своеобразным «отпечатком» черной дыры. Как сообщает SciTechDaily, исследователи из Кембриджского университета предложили метод, который позволяет точнее выделять и систематизировать эти моды. В работе, опубликованной в Physical Review Letters, они изучили компьютерные модели слияний черных дыр и обнаружили не только основной сигнал на стадии затухания, но и более слабые гармоники — обертоны, которые исчезают быстрее.
«Хотя самый громкий режим регулярно наблюдается в данных гравитационных волн, многие более тихие режимы обнаружить гораздо сложнее, и продолжаются споры о том, какие режимы присутствуют и когда они появляются», — заявил первый автор исследования Ричард Дайер из Института астрономии Кембриджа. По его словам, предложенный метод дает системный, основанный на данных способ устранить эту неопределенность, а результаты могут стать ориентиром для теоретических работ и реальных наблюдений. В основе подхода лежит байесовский анализ — статистический метод, который сопоставляет разные объяснения и определяет наиболее вероятное для конкретного набора данных.
Помимо основных «нот» и обертонов, специалисты нашли в моделях необычные нелинейные моды. Они возникают при взаимодействии двух или более базовых частот и формируют более сложные сигналы, похожие на тона электрогитары с сильным искажением. Для их выявления нужны данные высокого качества и тщательная обработка, поскольку слабые сигналы необходимо отделять от шума.
Ричард Дайер и соавтор работы доктор Кристофер Мур проверили метод на открытом каталоге высокоточных симуляций, отслеживающих гравитационные волны до теоретической границы, где сигналы можно измерять наиболее чисто. Они рассмотрели слияния с разными соотношениями масс и вариантами вращения, фиксируя, какие моды удается обнаружить и в какой момент они появляются. По оценке исследователей, такие карты сигналов могут помочь при интерпретации данных детекторов LIGO и Virgo, а также будущих приборов, включая проверки того, соответствуют ли свойства конечной черной дыры уравнениям Эйнштейна.