Когда черные дыры сольются, они зазвонят, как колокол
Когда две черные дыры сталкиваются, они не врезаются друг в друга так, как две звезды. Черная дыра — это сильно искривленная область пространства, которая может быть описана только массой, вращением и электрическим зарядом, поэтому две черные дыры испускают сильные гравитационные волны при слиянии в одну черную дыру. Новая черная дыра продолжает излучать гравитационные волны, пока не превратится в простую вращающуюся черную дыру. Этот период оседания известен под названием «кольцо вниз», и его характер содержит подсказки к некоторым из самых глубоких тайн гравитационной физики.
Гравитационно-волновые обсерватории, такие как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), в основном изучают инспиральный период слияния черных дыр. Это период, когда две черные дыры движутся по орбите все ближе друг к другу, создавая ритмичный поток сильных гравитационных волн. По ним астрономы могут определить массу и вращение исходных черных дыр, а также массу и вращение слившейся черной дыры. Наблюдаемая нами картина гравитационных волн регулируется общими уравнениями относительности Эйнштейна, и, сопоставляя наблюдения с теорией, мы узнаем о черных дырах.
Общая теория относительности очень хорошо описывает гравитацию. Из всех гравитационных тестов, которые мы провели, все они согласуются с общей теорией относительности. Но теория Эйнштейна не очень хорошо сочетается с другой чрезвычайно точной физической теорией — квантовой механикой. В связи с этим физики предложили модификации общей теории относительности, которые более совместимы с квантовой теорией. Согласно этим модифицированным теориям, существуют тонкие различия в способах слияния черных дыр, но наблюдать эти различия пока не удавалось. Но пара новых исследований показывает, как мы сможем наблюдать их во время следующего запуска LIGO.
В первой работе команда сосредоточилась на так называемом уравнении Теукольского. Впервые предложенные Солом Теукольским, эти уравнения представляют собой эффективный способ анализа гравитационных волн. Уравнения применимы только к классической общей теории относительности, поэтому команда разработала способ модификации уравнений для модифицированных моделей общей теории относительности. Поскольку для решения уравнений Теукольского и модифицированных уравнений Теукольского не требуется массивный суперкомпьютер, команда может сравнить уменьшение кольца черных дыр в различных гравитационных моделях.
Вторая работа рассматривает, как это можно сделать с помощью данных LIGO. Вместо того, чтобы сосредоточиться на общих различиях, эта работа фокусируется на том, что известно как теорема об отсутствии волос. Общая теория относительности предсказывает, что независимо от того, как сливаются две черные дыры, конечная слитая черная дыра должна описываться только массой, вращением и зарядом. У нее не может быть никаких «волос», или остаточных признаков столкновения. В некоторых модифицированных версиях общей теории относительности черные дыры могут иметь определенные особенности, что нарушает теорему об отсутствии волос. Во второй работе авторы показывают, как это может быть использовано для проверки общей теории относительности против некоторых модифицированных теорий.
LIGO только начал свой последний цикл наблюдений, поэтому пройдет некоторое время, прежде чем будет получено достаточно данных для проверки. Но, возможно, скоро мы получим новый наблюдательный тест старой теории Эйнштейна и докажем, что она не является окончательной теорией гравитации.
