Ученые предсказали свойства черной дыры по гравитационным волнам

Согласно теории Эйнштейна, черные дыры должны проявлять только три наблюдаемых свойства: массу, спин и электрический заряд. Все остальные характеристики, которые физик Джон Уилер назвал «волосами», должны быть поглощены самой черной дырой, поэтому их нельзя будет зафиксировать.

Теперь физики из Массачусетского технологического института и других организаций впервые «услышали звон» зарождающейся черной дыры и обнаружили, что характер этого сигнала действительно предсказывает массу и спин черной дыры. Они использовали уравнения Эйнштейна, чтобы описать связь характеристик гравитационных волн от новорожденной черной дыры с ее физическими свойствами. Эти расчеты совпали с измерениями массы и спина черной дыры, сделанными ранее другими учеными.

Если бы расчеты исследователей существенно отклонялись от других измерений, то можно было бы предположить, что волны черной дыры кодируют свойства, отличные от массы, спина и электрического заряда,— дразнящее свидетельство физики за пределами того, что может объяснить теория Эйнштейна. Но, как оказалось, гравитационные волны напрямую связаны с массой и спином, а значит, черные дыры не имеют никаких «волос».

В своей работе ученые анализировали данные с детекторов гравитационных волн LIGO и Virgo, которые были получены в 2015 году. Эти измерения включали сигнал, пойманный от слияния двух сверхмассивных черных дыр. Когда ученые убрали шум и увеличили масштаб этого сигнала, оказалось, что он сначала резко нарастал, а затем так же резко снижался, образуя пик. Когда астрономы перевели сигнал в звук, то услышали что-то похожее на «чириканье». Однако долгое время исследователям не удавалось разделить эту гравитационную волну на всплеск интенсивности, который произошел при столкновении, и характеристический сигнал новорожденной черной дыры.

В новой работе физики показали с помощью компьютерного моделирования, что такой сигнал, и особенно его часть сразу после пика содержит «обертоны» — семейство громких недолговечных тонов. Когда ученые повторно проанализировали сигнал, принимая во внимание обертоны, то обнаружили, что они могут успешно разделить гравитационный сигнал на составляющие. В частности, они идентифицировали два различных тона, каждый из которых имел свою высоту и скорость затухания. Подстановка этих характеристик в уравнения Эйнштейна позволила ученым рассчитать массу и спин новорожденной черной дыры.

Не так давно ученые показали, что гравитационные волны также могут помочь отследить происхождение черных дыр. Например, их расчеты показали, что некоторые из этих объектов произошли из одного звездного скопления, которое двигалось со скоростью в 50 километров в секунду.