В результате такого столкновения образуется новая, более крупная черная дыра, которая «звенит» подобно защипнутой струне гитары или удару в колокол, постепенно успокаиваясь и принимая окончательную стабильную форму. Есть только одно «но»: вместо звуковых волн новая черная дыра резонирует гравитационными волнами — рябью в пространстве-времени, предсказанной Альбертом Эйнштейном.
Специалисты Кембриджского университета разработали метод выявления и каталогизации этих колебаний с беспрецедентной точностью. Они проанализировали компьютерные симуляции слияний черных дыр и определили не только основную «ноту», на которой звенит новорожденная черная дыра, но и более тихие «обертоны» — гармоники, которые затухают быстрее.
Новая черная дыра вибрирует на определенном наборе частот, зависящих от ее массы и спина. Эти вибрации, известные как квазинормальные моды, представляют собой своего рода «отпечаток пальца» черной дыры. Их обнаружение имеет центральное значение для проверки общей теории относительности Эйнштейна в самых экстремальных гравитационных условиях во Вселенной.
«Самые громкие моды ученые регулярно наблюдают в данных гравитационных волн, но многие более тихие моды обнаружить гораздо сложнее, из-за чего постоянно идут споры о том, какие моды присутствуют и когда они появляются, — объясняет соавтор работы, сотрудник Института астрономии Кембриджа Ричард Дайер. — Наш метод обеспечивает систематический, основанный на данных способ разрешить эту неопределенность, а наши результаты служат справочником как для теоретических исследований, так и для реальных наблюдений».
Авторы работы основали свой метод на байесовском анализе — статистической технике, которая систематически взвешивает доказательства для определения наиболее вероятного объяснения набора данных. Помимо основных «нот» и «обертонов», ученые обнаружили в данных необычные «нелинейные моды» — вибрации, которые возникают при взаимодействии двух или более основных частот друг с другом. Их можно сравнить со сложными тонами, которые может производить электрогитара при игре с сильным искажением.
«Анализ такого затухающего звона — один из самых прямых способов изучения черных дыр, — говорит Дайер. — Но извлечь всю содержащуюся в нем информацию сложно. Мы хотели найти обоснованный, основанный на данных способ сделать это».
Дайер и его соавтор доктор Кристофер Мур применили свой метод к общедоступному каталогу высокоточных симуляций гравитационных волн, охватывающих широкий диапазон столкновений черных дыр с различными соотношениями масс и конфигурациями вращения. Результаты будут полезны для интерпретации данных с современных детекторов гравитационных волн, в том числе, LIGO и Virgo, и помогут проводить еще более точные проверки общей теории относительности.
Ранее ученые узнали, что испытывают звезды, сгинувшие в черной дыре.
