Учёные разработали новый метод расчёта вибраций чёрных дыр

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Чёрные дыры олицетворяют собой абсолютную бездну. Они являются самыми мощными источниками гравитации во Вселенной, способными радикально искажать пространство и время вокруг себя. При возмущении они начинают «звенеть» особым образом, создавая рябь в пространстве-времени — так называемые «квазинормальные моды», которые порождают обнаруживаемые гравитационные волны.

Во время событий вроде слияния чёрных дыр эти волны могут быть достаточно сильными, чтобы их зафиксировали на Земле, что даёт уникальную возможность измерить массу и форму чёрной дыры. Однако точный расчёт этих вибраций теоретическими методами оставался серьёзной проблемой, особенно для быстро затухающих колебаний.

Это вдохновило команду исследователей из Киотского университета разработать новый метод расчёта вибраций чёрных дыр. Их работа опубликована в журнале Physical Review D.

Учёные применили математический метод под названием «точный ВКБ-анализ» (метод Вентцеля — Крамерса — Бриллюэна), чтобы детально проследить поведение волн от чёрной дыры вплоть до далёкого космоса.

Хотя этот метод давно изучается в математике, его применение в физике — особенно к чёрным дырам — остаётся новой областью исследований.

«Основы точного ВКБ-метода были в значительной степени разработаны японскими математиками. Как исследователь из Японии, я всегда находил эту область интеллектуально и культурно близкой», — говорит ведущий автор работы Тайга Миячи.

Этот метод позволил команде детально отслеживать волновые паттерны даже в областях, которые трудно анализировать другими существующими методами. Их подход включал изучение пространства вблизи чёрной дыры путём его расширения в область комплексных чисел, что раскрыло богатую геометрическую структуру чёрной дыры.

Исследователи обнаружили математический феномен под названием «кривые Стокса», обозначающие точки, где природа волны внезапно меняется. В отличие от предыдущих работ, команда учла бесконечно закручивающиеся кривые Стокса и пути, ответвляющиеся от чёрных дыр.

«Мы были удивлены тому, насколько сложной и красивой оказалась скрытая структура этих вибраций. В нашем математическом анализе мы обнаружили спиральные паттерны, которые ранее упускали из виду, и они оказались ключевыми для понимания полной картины квазинормальных мод», — поясняет Миячи.

Это исследование позволяет анализировать «звучание» чёрных дыр в широком спектре теоретических моделей. В перспективе это может повысить точность будущих наблюдений гравитационных волн и привести к более глубокому пониманию истинной природы Вселенной и её геометрии.

В дальнейшем команда планирует расширить свой подход на вращающиеся чёрные дыры и изучить применение точного ВКБ-анализа в исследованиях квантовых гравитационных эффектов.

Дополнительная информация: Taiga Miyachi et al, Path to an exact WKB analysis of black hole quasinormal modes, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/1gmr-9f1g

Источник: Kyoto University