Гравитационные волны, возникающие при слиянии двух черных дыр, не ограничиваются просто колебаниями. К такому выводу пришли ученые, расшифровав предсказанный Эйнштейном «звон» новорожденных космических объектов.
Исследователи обнаружили, что черные дыры, появившиеся в результате слияния, испускают не только основные квазинормальные гравитационные волны, но и вторичные волны, возникающие из-за их нелинейного взаимодействия. До сих пор внимание уделялось только линейным квазинормальным модам (QNM), которые описывают реакцию черной дыры на внешние возмущения.
Однако, поскольку Общая теория относительности является нелинейной, сами волны могут взаимодействовать друг с другом, создавая более сложные вторичные сигналы — тот самый «звон», предсказанный теорией. Международная исследовательская группа под руководством Нива Кхера из Гуэлфского университета (Канада) смогла точно описать и измерить этот «звон», систематизировав все возможные взаимодействия между колебаниями.
Используя два метода численного моделирования, физики определили, как основные квазинормальные моды взаимодействуют и формируют новые типы сигналов. Они также обнаружили необычный эффект симметрии — один из четырех возможных каналов взаимодействия, который полностью исчезает независимо от вращения или массы черной дыры.
Результаты показали, что нелинейные взаимодействия между колебаниями порождают вторичные (или квадратичные) гравитационные волны. Это открытие устраняет прежние противоречия между теорией и данными численного моделирования, так как ранее некоторые амплитуды сигналов, предсказанных ОТО, не совпадали с результатами моделирования.
Современные детекторы гравитационных волн не способны уловить «звон» черных дыр. Ученые предполагают, что будущие обсерватории, такие как Cosmic Explorer (наземная) и LISA (космическая), помогут решить эту задачу. Это важно, поскольку квадратичные моды представляют собой новый тип сигнала, который содержит информацию о гравитационных взаимодействиях в экстремальных условиях. Анализ этих сигналов позволит экспериментально проверить нелинейность Общей теории относительности.
«Когда мы услышим „звон“ черной дыры, мы поймем язык гравитации. Включение этих сигналов в будущие модели может помочь в поиске возможных отклонений и новой физики», — подытожил Хуань Ян из Университета Цинхуа, соавтор новой научной работы.