Почти 60 лет общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что черные дыры определяются всего двумя параметрами: массой и скоростью вращения. Это так называемая «теорема об отсутствии волос» (no-hair theorem) — у черной дыры нет других характеристик, которые можно было бы измерить извне. Но что, если у некоторых черных дыр все-таки есть «волосы» — скрытая материя вокруг них или отклонения от теории Эйнштейна?
Новое исследование, опубликованное в научном журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, предлагает способ проверить это. Команда физиков из университета Нагоя (Япония) сосредоточилась на гравитационных волнах, которые испускает черная дыра сразу после слияния. Этот сигнал называется кольцевым затуханием (ringdown).
Черная дыра искажает пространство-время настолько сильно, что искривляет путь света и гравитационных волн. Если есть скрытая материя или неизвестная физика, влияющая на гравитацию, их эффекты будут наиболее заметны там, где гравитация сильнее всего. Это делает черные дыры лучшим местом для поиска
Исследователи добавили небольшое количество скрытой материи в стандартные модели черных дыр и с помощью уравнений Эйнштейна рассчитали, как эта материя меняет частоту и скорость затухания кольцевых волн. Ключевой результат: частота и скорость затухания меняются по-разному. Разница между ними зависит от того, сколько скрытой материи присутствует и как ее давление распределено вокруг черной дыры.
Для вращающихся черных дыр эффект становится еще сложнее. Свет (и гравитационные волны), движущиеся по направлению вращения черной дыры, ведут себя иначе, чем те, что движутся против вращения. Скрытая материя по-разному влияет на частоту и затухание в зависимости от направления.
«Волны кольцевого затухания могут не только показать, что что-то дополнительное влияет на черную дыру, но и дать подсказки о том, что представляет собой эта скрытая материя», — говорит Паломино Илья.
Вместо того чтобы изучать каждый возможный тип «волос» с нуля, новый метод дает исследователям общий способ предсказывать, как дополнительная материя или новая физика могут изменить сигнал. Это поможет будущим гравитационно-волновым обсерваториям (таким как LIGO и Virgo) отличать «волосатые» черные дыры от «лысых». Если сигнал не будет соответствовать предсказаниям теории для обычной черной дыры, это может стать первым признаком того, что у черной дыры есть скрытая структура — и, возможно, ключом к новой физике за пределами Эйнштейна.
Ранее Наука Mail рассказывала об испарении черных дыр.