Ученый провел первое нелинейное исследование имитаторов черных дыр

Гравитационные волны, испускаемые черной дырой-имитатором в центре. Более яркие цвета указывают на более высокие амплитуды волн. Полукруги расширяются со временем по мере распространения волн наружу. Автор: Nils Siemonsen.

В недавнем исследовании ученый из Принстонского университета провел первое нелинейное исследование слияния имитаторов черных дыр, стремясь понять природу сигналов гравитационных волн, излучаемых этими объектами, что потенциально может помочь более точно идентифицировать черные дыры.

Черные дыры-имитаторы — это гипотетические астрономические объекты, которые имитируют черные дыры, в частности, в своих гравитационно-волновых сигналах и их влиянии на окружающие объекты. Однако у них отсутствует горизонт событий, который является точкой невозврата.

Исследование провел Нильс Симонсен, научный сотрудник Принстонского университета, который рассказал Phys.org о своей работе.

«Имитаторы черных дыр — это объекты, которые находятся очень близко к черным дырам, но не имеют горизонта событий. С точки зрения наблюдений мы можем отличить черные дыры от объектов, имитирующих большинство их свойств, используя наблюдения гравитационных волн», — сказал он.

Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, фокусируется на типе имитаторов черных дыр, называемых бозонными звездами. Ключ к их отличию от черных дыр, по словам доктора Симонсена, заключается в гравитационных волнах, испускаемых при столкновении и слиянии бозонных звезд.

Двойные бозонные звезды и слияния

Бозонные звезды являются одними из потенциальных кандидатов на роль имитаторов черных дыр и, как следует из названия, состоят из бозонов. Бозоны — это субатомные частицы, такие как фотоны и частица Хиггса.

Бозонные звезды состоят из скалярных бозонов, таких как гипотетические аксионы, которые являются бозонами без спина, то есть не имеют собственного углового момента. Скалярные поля частиц образуют гравитационно связанную, стабильную конфигурацию, не нуждаясь в сильном взаимодействии.

Предыдущие исследования показали, что слияние двойной бозонной звездной системы приводит к появлению гравитационно-волновых сигналов, которые представляют собой рябь в пространстве-времени, вызванную бурными процессами.

Эти сигналы полностью идентичны сигналам коллапса черной дыры (или фазе после слияния) независимо от внутренней структуры имитатора черной дыры.

Разница в излучаемых сигналах гравитационных волн видна после определенного времени пересечения светом внутренней части имитатора, которое представляет собой время, необходимое свету для прохождения диаметра имитатора, который в данном случае является бозонной звездой.

В случае имитатора черной дыры это характеризуется повторяющимися всплесками гравитационного эха.

Стремясь усовершенствовать более ранние исследования, доктор Симонсен стремился рассмотреть такие проблемы, как отсутствие учета нелинейных гравитационных эффектов и исключение самовзаимодействий внутри материи объекта.

Нелинейная и самосогласованная обработка имитаторов черных дыр

Чтобы устранить ограничения предыдущих исследований, доктор Симонсен использовал численное моделирование для решения полных уравнений Эйнштейна-Клейна-Гордона, которые описывают эволюцию скалярных полей, таких как поля в бозонных звездах.

Что касается слияния, исследование было сосредоточено на сценариях с большим отношением масс, т. е. слиянии меньшей бозонной звезды с большей, более компактной, при этом уравнения Клейна-Гордона описывают лобовое столкновение двойной звездной системы.

Уравнение Клейна-Гордона в сочетании с уравнениями поля Эйнштейна, описывающими гравитационную динамику, позволяет изучать самосогласованную эволюцию системы.

Для решения системы уравнений доктор Симонсен использовал метод релаксации Ньютона-Рафсона с конечно-разностными методами пятого порядка.

Он объяснил трудности, связанные с реализацией этих методов: «Имитатор черной дыры образуется только при определенных условиях в результате слияния двух бозонных звезд. Область в решении, где это происходит, особенно сложно моделировать из-за большого разделения масштабов».

Для решения этой проблемы использовались такие методы, как адаптивное совершенствование сетки и очень высокое разрешение.

Высокочастотные всплески

Моделирование показало, что гравитационно-волновой сигнал кольцевого спада содержит всплескоподобный компонент с другими свойствами, чем считалось ранее, а также долгоживущий гравитационно-волновой компонент.

«Ни один из этих компонентов не присутствует в обычном слиянии и коллапсе двойной черной дыры. Это может послужить руководством для будущих исследований гравитационных волн, направленных на проверку парадигмы черной дыры», — пояснил доктор Симонсен.

Однако первоначальный гравитационно-волновой сигнал имитатора похож на сигнал вращающейся черной дыры, известной как черная дыра Керра, поскольку первичная (или более крупная) бозонная звезда становится более компактной и плотной.

Исследование показало, что время всплесков зависит от размера меньшей бозонной звезды, участвующей в слиянии.

Кроме того, они обнаружили долгоживущий компонент с частотой, сопоставимой с той, которую можно было бы ожидать от черной дыры, вероятно, из-за колебаний остаточного объекта.

«Черные дыры переходят в состояние покоя за очень короткое время. С другой стороны, считается, что имитаторы черных дыр повторно излучают часть доступной энергии при слиянии в форме гравитационных волн во время слияния в течение относительно длительного времени», - пояснил доктор Симонсен.

Наконец, исследование показало, что общая энергия, излучаемая в гравитационных волнах, значительно больше, чем ожидается от эквивалентного события слияния черных дыр.

Будущая работа

Два компонента, выявленные в ходе исследования, можно использовать в качестве дифференциатора между остатком слияния черной дыры и имитатором черной дыры.

«Однако все еще остается много нерешенных вопросов о свойствах хорошо мотивированных имитаторов черных дыр и динамике их слияния и затухания», — добавил доктор Симонсен.

Говоря о будущей работе, он отметил: «Одним интересным направлением в будущем является рассмотрение хорошо мотивированного имитатора черной дыры и понимание динамики его закручивания, слияния и нисхождения в контексте двойной звезды».

«Более того, анализ звона этих хорошо мотивированных имитаторов с использованием пертурбативных методов и их привязка к нелинейным методам лечения имеют решающее значение для руководства будущими испытаниями парадигмы черной дыры с использованием наблюдений гравитационных волн».

Больше информации: Nils Siemonsen, Nonlinear Treatment of a Black Hole Mimicker Ringdown, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.031401. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.14536