Когда вы ударяете колокол молотком, он некоторое время звонит, поскольку вибрирующий металл продолжает резонировать. И, как выясняется, когда вы ударяете черную дыру другой черной дырой, происходит нечто подобное — только вместо звуковых волн вновь образованная черная дыра посылает гравитационные волны, распространяющиеся по всей Вселенной.
Эти гравитационные волны подобны аккорду, перезвону нот. В них, согласно Общей теории относительности Эйнштейна, должна быть закодирована информация о массе и спине черной дыры.
Теперь, в новом тесте относительности, команда астрономов выяснила, как выявить отдельные ноты в аккорде — или, вернее, частоты в гравитационных волнах — и впервые обнаружила две из них — что считалось невозможным с нашей нынешней технологией.
Вы можете быть не удивлены, узнав, что, согласно общей теории относительности, они смогли измерить массу и вращение черной дыры.
И они также смогли сделать вывод, что это были единственные обнаруживаемые свойства черной дыры — подтверждая , которая утверждает, что, в соответствии с общей теорией относительности, черные дыры могут характеризоваться только массой и вращением (все остальные свойства являются Волосы»).
«Мы все ожидаем, что общая теория относительности будет правильной, но мы впервые подтверждаем это таким образом», — сказал физик Максимилиано Иси из Института астрофизики и космических исследований им. М.В. Кавли при Массачусетском технологическом институте.
«Это первое экспериментальное измерение, в результате которого непосредственно проверяется теорема об отсутствии волос. Это не означает, что у черных дыр не может быть волос. Это означает, что изображение черных дыр без волос живет еще один день».
Данное столкновение было самым первым из когда-либо обнаруженных, GW 150914 , в сентябре 2015 года. Ученые преобразовали гравитационные волны в звуковые волны, производя сигнал «чириканье»; вот как это звучит:
Как две черные дыры сливаются в одну, очень короткий период колеблется, когда новая черная дыра колеблется, испуская более слабые гравитационные волны. Это называется кольцом вниз, и ученые предположили, что оно будет слишком слабым для обнаружения или анализа после пика гравитационной волны в момент столкновения.
Ранее астрофизик Мэтью Гизлер из Калифорнийского технологического института и его коллеги с помощью моделирования определили , что сразу после пика гравитационной волны период подавления включал какофонию «обертонов» — громких, недолговечных тонов. Анализируя звуковой сигнал столкновения в контексте обертонов, команда могла бы выделить звонкую «подпись» новой черной дыры.
Иси и его команда взяли эту работу и применили ее к GW 150914, сосредоточившись на моменте сразу после пика чириканья. И они смогли выделить звонкую подпись — вплоть до идентификации двух различных тонов, соответствующих различным вибрационным частотам от новой черной дыры.
«Это был очень удивительный результат. Общепринятое мнение состояло в том, что к тому времени, когда остаточная черная дыра успокоится, чтобы можно было обнаружить любые тона, обертоны почти полностью распались бы», — сказал теоретический астрофизик Саул Теукольский из Корнельского университета.
«Вместо этого оказывается, что обертоны можно обнаружить до того, как основной тон станет видимым».
Эйнштейн предсказал, что высота тона при затухании столкновения с черной дырой будет прямым продуктом массы и вращения новой черной дыры. Команда смогла измерить высоту и затухание двух тонов, что, в свою очередь, позволило им исследовать свойства черной дыры.
Масса и вращение, рассчитанные на основе высоты тона и затухания, соответствовали предыдущим измерениям этих двух свойств — демонстрируя, что обнаружение обертонов утечки черной дыры может быть достигнуто сегодня при нынешних методах — что означает, что будущая технология может быть еще более совершенной.
«В будущем у нас будут лучшие детекторы на Земле и в космосе, и мы сможем увидеть не только два, но и десятки режимов, и точно определить их свойства», — сказал Иси.
«Если это не черные дыры, как предсказывает Эйнштейн, Если это более экзотические объекты, такие как червоточины или бозонные звезды, они могут не звенеть таким же образом, и у нас будет шанс увидеть их.»
Исследование было опубликовано в .