Иллюстрация сверхмассивной черной дыры. Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения.
Физики считают черные дыры одними из самых загадочных существующих объектов. По иронии судьбы, они также считаются одними из самых простых. В течение многих лет физики вроде меня пытались доказать, что черные дыры сложнее, чем кажутся. И в этой охоте нам поможет недавно одобренная европейская космическая миссия под названием LISA.
Исследования 1970-х годов показывают, что можно всесторонне описать черную дыру, используя только три физических атрибута — ее массу, заряд и вращение. Все остальные свойства этих массивных умирающих звезд, такие как их детальный состав, профили плотности и температуры, исчезают, когда они превращаются в черную дыру. Вот насколько они просты.
Идея о том, что черные дыры имеют только три атрибута, называется теоремой об «отсутствии волос», подразумевая, что у них нет никаких «волосатых» деталей, которые усложняют их.
Волосатые черные дыры?
На протяжении десятилетий исследователи астрофизики использовали лазейки или обходные пути в предположениях теоремы об отсутствии волос, чтобы придумать потенциальные сценарии появления волосатых черных дыр. Волосатая черная дыра обладает физическим свойством, которое ученые могут измерить (в принципе) и которое выходит за рамки ее массы, заряда или вращения. Это имущество должно быть постоянной частью его структуры.
Около десяти лет назад Стефанос Аретакис, физик, в настоящее время работающий в Университете Торонто, математически показал, что черная дыра, содержащая максимальный заряд, который она может удерживать (так называемая черная дыра с экстремальным зарядом), будет развивать «волосы» на горизонте. Горизонт черной дыры — это граница, из которой все, что ее пересекает, даже свет, не может покинуть ее.
Анализ Аретакиса был скорее мысленным экспериментом с использованием сильно упрощенного физического сценария, поэтому учёные не ожидают увидеть это с астрофизической точки зрения. Но черные дыры с наддувом, возможно, не единственные, у которых могут быть волосы.
Поскольку известно, что астрофизические объекты, такие как звезды и планеты, вращаются, ученые ожидают, что черные дыры также будут вращаться, исходя из того, как они формируются. Астрономические данные показали, что черные дыры действительно имеют вращение, хотя исследователи не знают, каково типичное значение вращения для астрофизической черной дыры.
Используя компьютерное моделирование, моя команда недавно обнаружила похожие типы волос в черных дырах, которые вращаются с максимальной скоростью. Эти волосы связаны со скоростью изменения или градиентом кривизны пространства-времени на горизонте. Мы также обнаружили, что черная дыра на самом деле не обязательно должна максимально вращаться, чтобы иметь волосы, что важно, поскольку эти максимально вращающиеся черные дыры, вероятно, не образуются в природе.
Обнаружение и измерение волос
Моя команда хотела разработать способ потенциального измерения этих волос — нового фиксированного свойства, которое могло бы характеризовать черную дыру помимо ее массы, вращения и заряда. Мы начали изучать, как такое новое свойство может оставить след в гравитационной волне, испускаемой быстро вращающейся черной дырой.
Гравитационная волна — это крошечное возмущение в пространстве-времени, обычно вызываемое жестокими астрофизическими событиями во Вселенной. Столкновения компактных астрофизических объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды, испускают сильные гравитационные волны. Международная сеть гравитационных обсерваторий, в том числе Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория в США, регулярно обнаруживает эти волны.
Космические аппараты LISA наблюдают гравитационные волны от удаленного источника на орбите Солнца. Фото: Саймон Барк/Унив. Флорида, CC BY
Наши недавние исследования показывают, что можно измерить эти волосатые атрибуты на основе данных гравитационных волн для быстро вращающихся черных дыр. Изучение данных гравитационных волн дает возможность получить своего рода сигнатуру, которая могла бы указать, есть ли у черной дыры волосы такого типа.
Наши текущие исследования и недавние успехи, достигнутые Сом Бишойи, студентом нашей команды, основаны на сочетании теоретических и вычислительных моделей быстро вращающихся черных дыр. Наши результаты еще не были проверены в полевых условиях и не наблюдались в реальных черных дырах в космосе. Но мы надеемся, что это скоро изменится.
ЛИЗА получает добро
В январе 2024 года Европейское космическое агентство официально утвердило миссию космической антенны лазерного интерферометра (LISA). LISA будет искать гравитационные волны, и данные миссии могут помочь моей команде в решении сложных вопросов о черных дырах.
Официальное принятие означает, что проект получил добро на переход к этапу строительства, запуск которого запланирован на 2035 год. LISA состоит из трех космических кораблей, образующих идеальный равносторонний треугольник, который будет следовать за Землей вокруг Солнца. Каждый из космических кораблей будет находиться на расстоянии 1,6 миллиона миль (2,5 миллиона километров) друг от друга, и они будут обмениваться лазерными лучами для измерения расстояния между собой с точностью до одной миллиардной доли дюйма.
LISA обнаружит гравитационные волны от сверхмассивных черных дыр, которые в миллионы или даже миллиарды раз массивнее нашего Солнца. Он построит карту пространства-времени вокруг вращающихся черных дыр, которая поможет физикам понять, как работает гравитация в непосредственной близости от черных дыр, с беспрецедентным уровнем точности. Физики надеются, что LISA также сможет измерить любые волосатые атрибуты, которыми могут обладать черные дыры.
Поскольку LIGO проводит новые наблюдения каждый день, а LISA дает возможность заглянуть в пространство-время вокруг черных дыр, сейчас наступило одно из самых захватывающих времен для физика черных дыр.
Информация от: Разговором
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
