У чёрных дыр могут быть «волосы» — учёные придумали, как их обнаружить

У чёрной дыры действительно могут быть «волосы». Правда, увидеть их невозможно даже в самый мощный телескоп, и к привычным волосам они не имеют никакого отношения. Так физики называют дополнительную структуру или материю, способную изменить свойства чёрной дыры по сравнению с простейшим предсказанием общей теории относительности. Теперь исследователи Нагойского университета предложили новый способ искать такие волосы — буквально прислушиваясь к тому, как чёрная дыра «звенит» после столкновения.

Когда две чёрные дыры сливаются, результат не сразу приходит в спокойное состояние. Пространство-время вокруг новорождённой чёрной дыры некоторое время колеблется, подобно поверхности потревоженного пруда. Только вместо волн на воде по Вселенной распространяются гравитационные волны — крошечные деформации самого пространства-времени.

Физики называют заключительную стадию такого сигнала ringdown — затухающим звоном. Аналогия с колоколом довольно точна. Если ударить по металлическому колоколу, он будет колебаться на характерных частотах, а звук постепенно ослабеет. Форма и материал колокола определяют его звучание. Аналогично масса и вращение чёрной дыры определяют частоты её гравитационного «звона» и скорость, с которой колебания исчезают.

Именно здесь появляется знаменитая идея отсутствия волос у чёрных дыр. В простейшем варианте общей теории относительности астрофизическая чёрная дыра описывается чрезвычайно небольшим числом параметров, прежде всего массой и угловым моментом, а при необходимости электрическим зарядом. Неважно, из чего состояли звёзды или другие объекты, сформировавшие её: большая часть индивидуальной информации оказывается скрыта за горизонтом событий.

Но природа может оказаться сложнее. Вокруг чёрной дыры способна существовать дополнительная материя или поля, а альтернативные теории гравитации допускают структуры, которых нет в простейшей картине Эйнштейна. Такие дополнительные характеристики и получили образное название «волос».

Проблема в том, что волосы, если они существуют, могут быть чрезвычайно тонкими. Чёрная дыра по-прежнему будет выглядеть почти так, как предсказывает общая теория относительности. Поэтому команда Ариадны Уксуэ Паломино Иллы решила искать не огромную аномалию, а небольшие систематические изменения в гравитационном звоне.

Ключ к новому методу — сравнивать сразу две характеристики сигнала. Первая показывает, насколько быстро колеблется гравитационная волна, то есть её частоту. Вторая определяет, насколько быстро уменьшается амплитуда, то есть как быстро «замолкает колокол». Расчёты показали, что дополнительная материя воздействует на эти характеристики неодинаково.

Это важное различие. Если бы скрытая материя просто одинаково сдвигала весь сигнал, её влияние было бы трудно отделить от небольшого изменения массы или вращения самой чёрной дыры. Но характерное несоответствие между изменением частоты и временем затухания превращается в своеобразный отпечаток дополнительной структуры.

Более того, этот отпечаток потенциально способен рассказать не только о существовании волос. Он зависит от количества окружающей материи и распределения её давления. Таким образом, гравитационный звон теоретически может стать инструментом исследования того, что находится в непосредственной близости от горизонта событий — области, где гравитация достигает экстремальной силы.

В основе расчётов лежит удивительная связь между поведением света возле чёрной дыры и её собственными колебаниями. В сильном гравитационном поле фотоны способны двигаться по крайне неустойчивым траекториям вокруг объекта. Характер этих траекторий математически связан с некоторыми режимами затухающих гравитационных колебаний. Изменяя модель окружающей материи, исследователи смогли проследить, как одновременно меняются движение света и ringdown.

Особенно интересна ситуация с вращающимися чёрными дырами. Пространство-время возле них само как бы увлекается вращением — эффект, известный как перетаскивание инерциальных систем отсчёта. Поэтому свет, движущийся в направлении вращения, ведёт себя иначе, чем свет, летящий против него. Аналогичное различие появляется и в затухающих колебаниях.

Расчёты показали, что скрытая материя способна по-разному изменять частоту и скорость затухания в зависимости от направления движения относительно вращения чёрной дыры. Это добавляет ещё один параметр к потенциальному отпечатку волос и может помочь отличать разные физические сценарии друг от друга.

Почему физиков вообще так интересуют небольшие отклонения? Общая теория относительности прошла огромное количество проверок, но чёрные дыры предоставляют условия, которые невозможно создать в лаборатории. Здесь пространство-время искривлено настолько сильно, что даже свет не способен покинуть область за горизонтом событий. Если теория Эйнштейна где-нибудь перестаёт быть полным описанием гравитации, окрестности чёрной дыры являются одним из наиболее перспективных мест для поиска этого эффекта.

Пока речь идёт о теоретическом инструменте, а не об обнаруженных волосах. Современные детекторы гравитационных волн уже регистрируют слияния чёрных дыр, однако ringdown сравнительно короток и слаб. Чтобы измерять его тонкую внутреннюю структуру, потребуется значительно более высокая чувствительность и большое количество качественных событий.

Будущие гравитационно-волновые обсерватории могут изменить ситуацию. Чем точнее человечество научится слышать последние доли секунды после слияния чёрных дыр, тем подробнее сможет проверять предсказания Эйнштейна.

И тогда шутливое выражение «волосатая чёрная дыра» может оказаться названием вполне реального физического явления. Если в затухающем звоне обнаружатся правильные отклонения, они способны указать на неизвестную материю рядом с горизонтом событий или даже на новую физику гравитации. А если никаких волос не найдётся, это тоже будет важным результатом: одна из самых экстремальных лабораторий Вселенной снова подтвердит, насколько точно теория, созданная Эйнштейном более века назад, описывает устройство пространства и времени.