Физики впервые смоделировали эхо столкновения черных дыр
Когда две черные дыры сталкиваются, они не просто сливаются в один объект — они создают гравитационные волны, колебания пространства-времени, которые можно сравнить с ударом колокола, разлетающимся по всей Вселенной. Но ученые давно подозревали, что за этим первичным «звуком» следует слабое второе эхо — медленный гул, который пространство-время издает, когда пытается вернуться в исходное состояние.
До сих пор его никто не наблюдал в реальности, лишь предсказывал теоретически.
Моделирование хвостов
Международная команда исследователей впервые смогла детально смоделировать это «эхо» — так называемые хвосты гравитационных волн позднего периода.
«До настоящего времени мы видели хвосты только в упрощенных моделях, где учитывались отдельные частоты. В наших симуляциях с полным численным решением уравнений общей теории относительности они отчетливо проявились», — говорит Лео Стейн, доцент Университета Миссисипи.
Проект включал 20 ученых, среди которых Марина Де Амичис из Института теоретической физики «Периметр». Их работа опубликована в Physical Review Letters.
Что такое хвост гравитационной волны?
Представьте, что вы бросаете камень в воду. Первые волны разбегаются быстро, но затем появляются слабые круги, уходящие далеко за основное колебание. В случае черных дыр первичная гравитационная волна — это удар колокола, а хвост — это долгий «стон» пространства-времени, низкочастотный и почти непрерывный.
«Первоначальные колебания рассеиваются за секунды, а хвост может длиться намного дольше. Он содержит информацию не только о черных дырах, но и о структуре пространства вокруг них», — объясняет Де Амичис.
Почему такие хвосты трудно заметить
Низкочастотные сигналы легко искажаются и накладываются друг на друга. Чтобы увидеть хвосты в симуляциях, исследователи моделировали почти прямое, лобовое столкновение черных дыр — редкий сценарий, позволяющий «усилить» хвосты.
«Это как на музыкальной репетиции: если все играют тихо, отдельные инструменты слышны плохо. Если включить громкость, можно разобрать каждый звук», — поясняет Стейн. «Хвосты дают уникальную информацию о том, как устроена Вселенная на больших масштабах», — добавляет Де Амичис.
Такие симуляции помогают понять, как пространство-время реагирует на сильнейшее искажение и возвращается в равновесие.
Связь с теорией Эйнштейна
Кроме того, хвосты подтверждают общую теорию относительности.
«В плоском пространстве-времени таких хвостов не бывает. Они появляются только там, где пространство может искривляться, как предсказывал Эйнштейн», — говорит Стейн.
Гравитационные волны впервые предсказаны в 1915 году и зарегистрированы только в 2015-м с помощью детекторов LIGO и Virgo. Хвосты позволяют исследователям анализировать не только сами черные дыры, но и среду вокруг них — плотность газа, движение материи, даже остатки звезд.
Практическое значение
Изучение хвостов помогает лучше понимать эволюцию черных дыр, их влияние на галактики и структуру пространства-времени.
«Теперь мы можем добавлять в модели орбитальные движения, смотреть, как хвосты ведут себя при более реалистичных сценариях», — отмечает Де Амичис.
Хвосты также дают возможность косвенно оценивать скорость и направление движения объекта после слияния, что важно для понимания взаимодействия черных дыр с окружающей средой.
Таким образом, новые симуляции не только демонстрируют редкий эффект, но и открывают окно для изучения Вселенной в мельчайших деталях. Хвосты, как тихий «голос» пространства-времени, дополняют данные первичных гравитационных волн и помогают построить полную картину того, что происходит в экстремальных условиях черных дыр.