Новая теория раскрывает скрытую сложность в гравитационных волнах от черных дыр

Иллюстрация волновых взаимодействий возле черной дыры и генерации вторичных волн. Автор: Хуан Ян

В недавно опубликованной статье в журнале Physical Review Letters ученые предложили новую теоретическую модель, показывающую, что гравитационные волны от слияния черных дыр сложнее, чем считалось ранее.

Когда две черные дыры сталкиваются во Вселенной, катаклизм не заканчивается простым столкновением. Вновь образованная черная дыра продолжает вибрировать, как ударенный колокол, создавая гравитационные волны в так называемой фазе «затухания» (ringdown).

Исследователи обнаружили, что эти космические колебания включают сложные квадратичные взаимодействия мод — вторичные колебания, возникающие при взаимодействии первичных мод. Это нелинейное поведение предсказывалось в общей теории относительности Эйнштейна, но до сих пор не было полностью описано.

«Меня всегда завораживали нелинейные явления в общей теории относительности, — сказал Хуан Ян, соавтор исследования из Университета Цинхуа. — В последние годы появились теоретические инструменты для изучения нелинейных возмущений черных дыр, и я начал исследовать их нелинейные колебания».

Работа разрешает давнее расхождение между теоретическими предсказаниями и численными симуляциями поведения черных дыр, что Ян называет «успехом» теории возмущений второго порядка.

За пределами квазинормальных мод

После слияния черных дыр образовавшийся объект не сразу переходит в стабильное состояние. Вместо этого он колеблется в характерных паттернах — квазинормальных модах (QNMs), естественных частотах, на которых черная дыра вибрирует по мере возвращения кривизны пространства-времени к равновесию.

Предыдущие исследования фокусировались в основном на линейных модах. Однако общая теория относительности предсказывает, что в экстремальных гравитационных условиях вокруг черных дыр эти моды должны взаимодействовать, порождая вторичные колебания.

«Гравитация описывается общей теорией относительности, которая является нелинейной теорией, — пояснил Ян. — Гравитационные волны, распространяющиеся в пространстве-времени, взаимодействуют друг с другом, и это взаимодействие особенно сильно вокруг черных дыр, где кривизна пространства-времени велика».

Перспективы наблюдений

Теоретический прорыв произошел в ключевой момент для гравитационно-волновой астрономии. Современные детекторы, такие как LIGO и Virgo, работают на пределе чувствительности, где можно зафиксировать эти вторичные сигналы, а будущие инструменты следующего поколения обещают значительно улучшить точность измерений.

Исследователи проанализировали, какие нелинейные моды можно будет обнаружить с помощью различных конфигураций детекторов. Их расчеты показывают, что несколько вторичных сигналов могут достичь отношения сигнал/шум выше 8–10 на наземных детекторах нового поколения, таких как Cosmic Explorer, а космическая миссия LISA может зафиксировать другие комбинации мод.

«Для обнаружения этих нелинейных сигналов нужны устройства, способные точно исследовать процесс слияния черных дыр, особенно на стадии затухания, — отметил Ян. — Космические детекторы (например, LISA) и наземные детекторы третьего поколения (такие как Cosmic Explorer) станут лучшими инструментами для изучения этого явления».

Команда определила оптимальные условия для обнаружения: системы с умеренным соотношением масс и максимально вращающимися черными дырами дают наиболее сильные сигналы. Для наземных детекторов лучшие перспективы у систем с общей массой около 60–80 солнечных масс.

Будущие исследования

Возможность идентифицировать и изучить эти нелинейные эффекты предоставит уникальную экспериментальную проверку общей теории относительности в экстремальных гравитационных условиях. Расхождения между наблюдениями и предсказаниями могут указать на физические явления, выходящие за рамки столетней теории Эйнштейна.

Работа также открывает новые направления для изучения физики черных дыр. Ян планирует исследовать не только квадратичные эффекты, но и другие нелинейные процессы, чтобы создать полную модель затухающих колебаний черных дыр.

«Существуют различные виды нелинейностей в затухании черных дыр; квадратичная мода — лишь одна из них, — пояснил он. — Как только мы поймем все эти важные нелинейные сигналы, мы сможем построить "полную" модель затухания, точно описывающую процесс с момента пика слияния».

Дополнительная информация: Neev Khera et al, Quadratic Mode Couplings in Rotating Black Holes and Their Detectability, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.211404. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.14529