«Волосы» черных дыр предложили искать в гравитационных волнах

Физики из США и Канады предложили новый способ проверки предсказаний общей теории относительности в сверхсильных гравитационных полях — поиск «волос» у сталкивающихся черных дыр. Метод основан на том, что в ОТО черные дыры описываются небольшим набором параметров (масса и спин), а значит данные о разных столкновениях черных дыр можно объединить. По оценкам авторов, сделать первичные оценки можно будет уже за год непрерывной работы гравитационной обсерватории типа Advanced LIGO на проектной чувствительности. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Physics.

Главная особенность изолированных черных дыр заключается в том, что с точки зрения общей теории относительности они могут создавать только стационарные (постоянные во времени) поля. Это приводит к тому, что черную дыру можно полностью описать ее массой и спином (моментом вращения). Вне зависимости от того, из одинакового или различного материала возникли две черных дыры, если у них одинаковы масса и спин, у нас нет никакой возможности отличить их друг от друга. Это утверждение называется «теоремой об отсутствии волос у черной дыры». 

По мнению ряда физиков, это утверждение вступает в «конфликт» с квантовой теорией, порождая так называемый парадокс потери информации. Подробнее о нем можно прочесть в интервью с российским физиком-теоретиком, доктором физико-математических наук Эмилем Ахмедовым. Стивен Хокинг, например, предполагает, что у черных дыр могут быть «мягкие волосы».

Вместе с тем, теорема об отсутствии волос основана на том, что общая теория относительности верна вблизи черных дыр. Многочисленные тесты ОТО на различных масштабах (вплоть до миллиардов световых лет) позволяют говорить о том, что скорее всего она справедлива при небольших гравитационных полях. Гравитационные волны — волны колебаний геометрии пространства времени — позволяют организовать новую проверку для теории относительности, в динамических условиях двух сближающихся черных дыр. 

Гравитационные волны возникают тогда, когда очень массивное тело движется с переменным ускорением. Классический пример — двойные системы нейтронных звезд, постепенно сближающихся друг с другом по спирали. Они теряют свою энергию за счет гравитационного излучения, пока наконец не сольются вместе. Эти волны были предсказаны чуть более ста лет назад в работах Альберта Эйнштейна, но лишь в 2015 году их удалось зафиксировать — источником стало слияние двух черных дыр. 

Этот процесс состоит из трех этапов: сближения объектов по спирали, слияния двух черных дыр в одну и затухания. Каждый из них характеризуется своим спектром (набором частот) испускаемых гравитационных волн. Если теорема об отсутствии волос верна, то c помощью того же небольшого набора параметров можно охарактеризовать полный спектр волн процессов затухания. В особенности физики обращают внимание на основную и следующую за основной гармоники в этом спектре. 

Из одиночных наблюдений при существующем уровне чувствительности детекторов можно выделить из сигнала лишь основную гармонику — данные сильно зашумлены. Авторы новой работы выяснили, как можно получить следующую за основной гармоникой. Благодаря небольшому количеству параметров, описывающих слияние, спектры от разных событий можно когерентно складывать. При этом увеличивается соотношение сигнал-шум и более явными становятся другие гармоники гравитационных волн. 

Исследование дополнительных гармоник позволяет независимо проанализировать свойства черной дыры и их зависимость от массы и углового момента. По оценкам авторов, если детекторы гравитационных волн Advanced LIGO выйдут на проектную чувствительность и проработают непрерывно год, то собранной статистики с вероятностью 97 процентов хватит для того, чтобы выделить дополнительную гармонику. Эта вероятность зависит от того, как часто случаются столкновения черных дыр в окрестностях Млечного Пути и какова их энергия. Менее оптимистичные оценки уменьшают эту вероятность до 50 процентов. 

Интересно, что физики уже активно используют данные LIGO для поиска отклонений от общей теории относительности. Так, в декабре 2016 года канадские и иранские физики заявили о том, что в данных детектора нашлось эхо от многократного отражения гравитационных волн при слиянии черных дыр. Если это отклонение подтвердится, то оно укажет на сложное строение горизонта событий черной дыры — например, на наличие «фаервола».Сейчас его статистическая значимость не достигает трех сигма (шанс случайного совпадения примерно один к 270).

Сейчас на детекторах Advanced LIGO идет сеанс наблюдений O2. Он начался в декабре 2016 года и продлится шесть месяцев. К LIGO в этом году должен был присоединиться итальянский детектор VIRGO, однако физики высказывали сомнения в его готовности.

Владимир Королёв