Объяснена тридцатилетняя загадка диссонанса в «звоне» черных дыр

Фото из открытых источников

Ученый из Токийского столичного университета решил давнюю проблему «диссонанса» в гравитационных волнах, испускаемых черной дырой. Используя высокоточные вычисления и новую теоретическую физическую структуру, было обнаружено, что он был вызван резонансом между парой отличительных «мод», т.е. различными способами, которыми черная дыра может «звенеть». Это явление предлагает новые идеи в зарождающейся области спектроскопии черных дыр.

Черные дыры — это астрофизические объекты, настолько плотные, что даже свет не может избежать их гравитационного притяжения. Однако, несмотря на их потрясающее присутствие в космосе, только в последнее десятилетие мы начали разбираться с тем, как они себя ведут. Это произошло благодаря появлению гравитационно-волновой астрономии, где глобальные усилия по обнаружению, предпринятые в сотрудничестве LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory)-Virgo-KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector), позволили обнаружить возмущения, создаваемые черными дырами в ткани пространства-времени.

Физики-теоретики теперь сталкиваются с сложнейшей задачей — попытаться понять гравитационные волны, испускаемые черными дырами, работая с теоретическими моделями. Одной из таких попыток был расчет, выполненный в 1997 году аспирантом Хисаши Онозавой из Токийского технологического института (ныне Институт науки Токио), который обнаружил любопытную нерегулярность в том, как должны выглядеть эти волны. Так же, как звук, издаваемый звонком, гравитационные волны, как ожидается, состоят из комбинации «мод» или различных звуков, излучаемых посредством различных способов, которыми черная дыра «вибрирует». Ожидалось, что эти моды будут меняться плавно и предсказуемо. Однако расчеты показали озадачивающий «диссонанс», когда определенная мода вела себя совершенно иначе, чем другие. Люди в то время подозревали ошибку в расчетах или артефакт, но даже с появлением более совершенных компьютеров результат оставался неразрешенной загадкой.

Теперь, спустя тридцать лет Хаято Мотохаси из Токийского столичного университета, ранее связанного с Университетом Когакуин, решил эту проблему, используя точные вычисления и зарождающуюся теоретическую область неэрмитовой физики. Внимательно изучив поведение мод, он обнаружил, что диссонанс не был изолирован от одной моды, а был результатом взаимодействия двух мод друг с другом резонансным образом. Фактически, исследуя множество мод, выясняется, что этот вид взаимодействия между модами не является редким инцидентом, а тот, который универсально проявляется в диапазоне мод.

Благодаря серии теоретических анализов этот резонанс между модами в черных дырах был показан как один из примеров целого ряда физических явлений не только в астрофизике, но и в оптической физике, рассматривающих электромагнитные волны вместо гравитационных. Междисциплинарное применение нового теоретического подхода возвещает о рождении новой области неэрмитовой гравитационной физики, раскрывая истинный потенциал экспериментов глобального масштаба, таких как сотрудничество LIGO-Virgo-KAGRA, которые выходят в онлайн.