Черные дыры — один из самых интересных объектов во Вселенной. На их поверхности, известной как горизонт событий, гравитация настолько сильна, что от них не может ускользнуть даже свет. Обычно черные дыры — это тихие, безмолвные существа, которые проглатывают все, что слишком близко к ним; однако, когда две черные дыры сталкиваются и сливаются вместе, они вызывают одно из самых катастрофических событий во Вселенной: за доли секунды рождается сильно деформированная черная дыра, которая высвобождает огромное количество энергии, принимая свою окончательную форму. Это явление дает астрономам уникальный шанс наблюдать быстро меняющиеся черные дыры и исследовать гравитацию в ее самой экстремальной форме.
Хотя сталкивающиеся черные дыры не производят свет, астрономы могут наблюдать обнаруженные гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени — которые отражаются от них. Ученые предполагают, что после столкновения поведение остаточной черной дыры является ключом к пониманию гравитации и должно быть сокрыто в излучаемых гравитационных волнах.
В статье, опубликованной в журнале Communications Physics (Nature), группа ученых во главе с выпускником программы OzGrav профессором Хуаном Кальдероном Бустильо — ныне «младший руководитель La Caixa — научный сотрудник Марии Кюри» в Галицком институте физики высоких энергий (Сантьяго-де-Компостела, Испания) — показал, как гравитационные волны кодируют форму сливающихся черных дыр, когда они принимают свою окончательную форму.
Аспирант и соавтор Кристофер Эванс из Технологического института Джорджии (США) говорит:
Мы выполнили моделирование столкновений черных дыр с помощью суперкомпьютеров, а затем сравнили быстро меняющуюся форму остаточной черной дыры с испускаемыми ею гравитационными волнами. Мы обнаружили, что эти сигналы намного сложнее и сложнее, чем принято думать, что позволяет нам больше узнать о сильно меняющейся форме последней черной дыры.
Гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр — это очень простые сигналы, известные как «щебетание». Когда две черные дыры приближаются друг к другу, они излучают сигнал с возрастающей частотой и амплитудой, который указывает скорость и радиус орбиты. По словам профессора Кальдерона Бустильо, высота и амплитуда сигнала увеличивается по мере того, как две черные дыры приближаются все быстрее и быстрее. После столкновения последняя остаточная черная дыра излучает сигнал с постоянной высотой тона и уменьшающейся амплитудой — как звук удара колокола . Этот принцип согласуется со всеми наблюдениями гравитационных волн до сих пор при изучении столкновения "сверху".
Однако исследование показало, что происходит нечто совершенно иное, если столкновение наблюдается с «экватора» последней черной дыры. Когда исследователи наблюдали черные дыры от их экватора, то обнаружили, что последняя черная дыра излучает более сложный сигнал с шагом, который несколько раз увеличивается и уменьшается, прежде чем она затихает. Другими словами, черная дыра на самом деле "щебечет" несколько раз.
Команда обнаружила, что это связано с формой последней черной дыры, которая действует как своего рода гравитационно-волновой маяк: Когда две исходные, "родительские" черные дыры имеют разные размеры, последняя черная дыра изначально выглядит как каштан, с острием на одной стороне и более широкой и гладкой спинкой. Оказывается, черная дыра излучает более интенсивные гравитационные волны через самые изогнутые области, которые окружают ее острие. Это связано с тем, что остаточная черная дыра также вращается, и она постоянно указывает на всех наблюдателей, производя множественные чирикающие звуки.
Соавтор, профессор Пабло Лагуна, бывший председатель Школы физики Технологического института Джорджии, а ныне профессор Техасского университета в Остине, отметил, что хотя связь между гравитационными волнами и поведением последней черной дыры давно предполагалась, проведенное исследование предоставляет первый явный пример такого рода отношений.
