Объяснена 30-летняя загадка диссонанса в «звоне» черных дыр

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Ученый из Токийского столичного университета решил давнюю проблему «диссонанса» в гравитационных волнах, испускаемых черной дырой.

Используя высокоточные вычисления и новую теоретическую физическую структуру, было обнаружено, что это вызвано резонансом между парой отличительных «мод», т.е. различными способами, которыми черная дыра может «звенеть». Это явление предлагает новое понимание зарождающейся области спектроскопии черных дыр.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Черные дыры — это астрофизические объекты, настолько плотные, что даже свет не может избежать их гравитационного притяжения. Однако, несмотря на их потрясающее присутствие в космосе, только в последнее десятилетие мы начали разбираться с тем, как они себя ведут.

Это стало возможным благодаря появлению гравитационно-волновой астрономии, где глобальные усилия по обнаружению, предпринятые в сотрудничестве с LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория)-Virgo-KAGRA (гравитационно-волновой детектор Камиока), позволили обнаружить возмущения, создаваемые черными дырами в ткани пространства-времени.

Перед физиками-теоретиками теперь стоит сложнейшая задача — попытаться понять гравитационные волны, испускаемые черными дырами, используя для этого теоретические модели.

Одной из таких попыток был расчет, проведенный в 1997 году аспирантом Хисаши Онодзавой из Токийского технологического института (ныне Институт науки Токио), который обнаружил любопытную нерегулярность в том, как должны выглядеть эти волны. Так же, как звук, издаваемый звонком, гравитационные волны, как ожидается, состоят из комбинации «мод» или различных звуков, излучаемых посредством различных способов, которыми черная дыра «вибрирует».

Ожидалось, что эти моды будут меняться плавно и предсказуемо. Однако расчеты показали озадачивающий «диссонанс», когда определенная мода вела себя совершенно иначе, чем другие. В то время люди подозревали ошибку в расчетах или артефакт, но даже с появлением более совершенных компьютеров результат оставался неразрешенной загадкой.

Теперь, спустя 30 лет, доцент Хаято Мотохаси из Токийского столичного университета, ранее связанного с Университетом Когакуин, решил эту проблему, используя точные вычисления и зарождающуюся теоретическую область неэрмитовой физики.

Внимательно изучив поведение мод, он обнаружил, что диссонанс не был изолирован от одной моды, а был результатом взаимодействия двух мод друг с другом резонансным образом. Фактически, исследуя множество мод, оказывается, что этот тип взаимодействия между модами не является редким инцидентом, а универсально проявляется в диапазоне мод.

В результате серии теоретических анализов было показано, что этот резонанс между модами в черных дырах является одним из примеров целого ряда физических явлений не только в астрофизике, но и в оптической физике, рассматривающих электромагнитные волны вместо гравитационных.

Междисциплинарное применение нового теоретического подхода возвещает о рождении новой области неэрмитовой гравитационной физики, раскрывая истинный потенциал экспериментов глобального масштаба, таких как сотрудничество LIGO-Virgo-KAGRA, которое скоро начнется.

Больше информации: Hayato Motohashi, Resonant Excitation of Quasinormal Modes of Black Holes, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.141401

Источник: Tokyo Metropolitan University