Результаты международного исследования, опубликованные в журнале Nature, открывают необычную связь между теорией струн, концепцией в физике элементарных частиц, и гравитационными волнами, испускаемыми при сближении черных дыр. Работа стала первым случаем, когда сложные математические структуры, вдохновленные теорией струн, использовались для описания наблюдаемого явления в астрофизике.
Астрономы фиксируют гравитационные волны уже десять лет. Они представляют собой крошечные колебания в ткани пространства и времени, которые возникают при слиянии черных дыр. Такие волны могут рождаться не только при столкновении, но и при «близком промахе», когда черные дыры или нейтронные звезды сближаются, но не сталкиваются. При этом они отклоняют друг друга и излучают энергию в виде гравитационных волн.
Команда теоретиков из Германии и Великобритании предложила использовать для описания таких событий инструменты квантовой теории поля, обычно применяемые для анализа микрочастиц. «Мы обращаемся к тем же расчетам, которые раньше применяли в экспериментах на коллайдерах», — поясняет физик Густав Могулл. Черные дыры, если рассматривать их издалека, ведут себя как частицы с массой и спином, что позволяет перенести математические методы из микромира в масштаб космоса.
Наиболее интересной особенностью работы стало использование структур Калаби-Яу — сложных геометрических объектов, которые обычно фигурируют в теории струн. Эти объекты отражают, как можно «сжать» дополнительные измерения пространства, предполагаемые теорией. Авторы показали, что такие структуры естественным образом возникают при расчетах, связанных с рассеянием черных дыр, и оказываются полезными для точного предсказания параметров гравитационных волн.
Исследование демонстрирует, как с помощью новых математических функций можно эффективно рассчитывать энергию, угол отклонения и импульс отдачи при рассеянии черных дыр. Эти параметры важно уметь точно предсказывать, чтобы анализировать сигналы, фиксируемые обсерваториями. Модели, созданные на основе этих расчетов, помогут отличать слабые гравитационные сигналы от фона.
Новая теория была протестирована на фоне численных симуляций — сложных компьютерных расчетов, требующих значительных вычислительных ресурсов. При сравнении с этими данными приближенные методы показали высокую точность, особенно в тех случаях, когда черные дыры лишь слегка отклоняют друг друга.
В будущем это может сыграть важную роль в работе новых обсерваторий — таких как американский Cosmic Explorer и европейский телескоп Эйнштейна, запуск которых намечен на 2030-е годы. По словам исследователей, эти установки смогут фиксировать более слабые сигналы от рассеяния черных дыр или нейтронных звезд, особенно в плотных звездных скоплениях. Чтобы обрабатывать такие сигналы, нужны новые шаблоны волновых форм — и работа команды Плефки может лечь в их основу.
Исследователи подчеркивают, что их метод — не конечная цель, а шаг в сторону более точных моделей. В текущей работе рассматриваются только невращающиеся черные дыры, тогда как в реальности большинство из них вращаются. Тем не менее сам факт появления в расчетах ранее чисто теоретических структур придает работе особую значимость. «Это уже не просто красивая математика. Это — физика, которую можно измерить», — отмечает Могулл.
Если слияние черных дыр помогает уловить гравитационные волны прошлого, то квазары могут стать ключом к волнам, заполняющим Вселенную прямо сейчас. О том, как эти космические маяки помогут раскрыть новые горизонты в изучении гравитации, вы можете прочитать в этой статье.
