Гравитационные волны, исходящие из черной дыры, имитируют центр. Более яркие цвета указывают на более высокие амплитуды волн. Полукруги со временем расширяются по мере распространения волн наружу. Фото предоставлено: Нильс Симонсен.
В недавнем исследовании ученый из Принстонского университета провел первое нелинейное исследование слияния черных дыр, которое имитирует одно из них. Целью было понять природу сигналов гравитационных волн, излучаемых этими объектами. Потенциально это может помочь более точно идентифицировать черные дыры.
Имитаторы черных дыр — это гипотетические астрономические объекты, которые имитируют черные дыры, особенно в их гравитационно-волновых сигналах и их влиянии на окружающие объекты. Однако у них отсутствует горизонт событий, то есть точка невозврата.
Исследование провел Нильс Симонсен, научный сотрудник Принстонского университета, который рассказал Phys.org о своей работе.
«Имитаторы черных дыр — это объекты, которые очень близки к черным дырам, но не имеют горизонта событий. «Используя наблюдения гравитационных волн, мы сможем отличить черные дыры от объектов, которые имитируют большую часть их свойств», — сказал он.
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, фокусируется на типе имитаторов черных дыр, называемых бозонными звездами. По словам доктора Симонсена о гравитационных волнах, излучаемых при столкновении и слиянии бозонных звезд.
Двойные бозонные звезды и слияния
Бозонные звезды являются возможным кандидатом на имитацию черных дыр и, как следует из названия, состоят из бозонов. Бозоны — это субатомные частицы, такие как фотоны и частица Хиггса.
Бозонные звезды состоят из скалярных бозонов, таких как гипотетические аксионы, которые являются бозонами без спина и, следовательно, не имеют собственного углового момента. Скалярные поля частиц образуют гравитационно связанную, стабильную конфигурацию без необходимости сильного взаимодействия.
Предыдущие исследования показали, что слияние двойной звездной системы бозонов приводит к появлению гравитационно-волновых сигналов. Это рябь в пространстве-времени, вызванная бурными процессами.
Эти сигналы универсально идентичны сигналам распада черной дыры (или фазы после слияния), независимо от внутренней структуры имитатора черной дыры.
Разница в излучаемых гравитационных волнах становится видимой через некоторое время, пока свет проходит внутри имитатора. Это время, которое требуется свету, чтобы пройти диаметр мимика, в данном случае бозонной звезды.
В случае с имитатором черной дыры это проявляется в повторяющихся взрывных гравитационных эхо.
С целью усовершенствования предыдущих исследований, Dr. Симонсен решает такие проблемы, как отсутствие учета нелинейных гравитационных эффектов и исключение самодействий внутри материи объекта.
Нелинейное и самосогласованное рассмотрение имитаторов черных дыр
Чтобы устранить ограничения предыдущих исследований, доктор. Численное моделирование Симонсена для решения полных уравнений Эйнштейна-Клейна-Гордона, описывающих эволюцию скалярных полей, например тех, что обнаружены в бозонных звездах.
Что касается слияний, исследование было сосредоточено на сценариях с высоким отношением масс, то есть слиянии бозонной звезды меньшего размера с более крупной и компактной, где уравнения Клейна-Гордона описывают лобовое столкновение двойной звездной системы.
Уравнение Клейна-Гордона в сочетании с уравнениями поля Эйнштейна, описывающими гравитационную динамику, позволяет изучать самосогласованную эволюцию системы.
Чтобы решить систему уравнений, Д. Симонсен — техника релаксации Ньютона-Рафсона с использованием разностных методов пятого порядка.
Он объяснил проблемы, связанные с внедрением этих методов: «Только при определенных условиях слияние двух бозонных звезд создает имитацию черной дыры. Область решения, где это происходит, особенно сложно смоделировать из-за больших различий в масштабе».
Чтобы преодолеть эту проблему, использовались такие методы, как адаптивное уточнение сетки и очень высокое разрешение.
Высокочастотные всплески
Моделирование показало, что сигнал гравитационной волны от кольца вниз содержит как всплесковую составляющую со свойствами, отличными от предполагаемых ранее, так и долгоживущую гравитационно-волновую составляющую.
«Ни один из этих компонентов не присутствует при обычном слиянии и распаде двух черных дыр. Это может послужить руководством для будущих поисков гравитационных волн, направленных на проверку парадигмы черной дыры», — объяснил доктор. Симонсен.
Однако первоначальный сигнал гравитационной волны имитатора напоминает сигнал вращающейся черной дыры (известной как черная дыра Керра), поскольку первичная (или более крупная) бозонная звезда становится более компактной и плотной.
Исследование показало, что время всплесков зависит от размера меньшей бозонной звезды, участвующей в слиянии.
Кроме того, они обнаружили долгоживущий компонент с частотой, сравнимой с ожидаемой от черной дыры, вероятно, обусловленный колебаниями остаточного объекта.
«Черные дыры переходят в спящее состояние в течение очень коротких периодов времени. С другой стороны, обычно предполагается, что черные дыры повторно излучают часть энергии, полученной в результате слияния, в форме гравитационных волн по мере распада слияния, которые происходит в течение относительно длительных периодов времени», — объяснил доктор. Симонсен.
Наконец, исследование показало, что общая энергия, выделяемая в гравитационных волнах, значительно больше, чем можно было бы ожидать от сопоставимого слияния черных дыр.
Будущая работа
Два компонента, выявленные в исследовании, могут быть использованы для различения остатков слияния черной дыры и ее имитатора.
«Однако до сих пор остается много вопросов без ответа о свойствах хорошо мотивированных имитаторов черных дыр и динамике их слияния и распада», — добавил доктор. Симонсен добавил.
Что касается будущей работы, он отметил: «Интересным будущим направлением является рассмотрение хорошо мотивированного подобия черной дыры и понимание динамики ее вдохновения, слияния и распада в контексте двойной звезды».
«Более того, анализ распада этих хорошо обоснованных имитаторов с использованием анализа возмущений и привязка его к нелинейным методам лечения имеет решающее значение для направления будущих испытаний парадигмы черной дыры с использованием наблюдений гравитационных волн».
