LISA увидит отличия экзотических компактных объектов от черных дыр на планковских масштабах

Физики-теоретики из Германии, Португалии и Италии показали, что слияния черных дыр и экзотических компактных объектов можно отличить, наблюдая за фазой пришедших от них гравитационных волн. Также они оценили, насколько тонкие отличия сможет почувствовать детектор LISA, запуск которого ожидается к 2034 году — оказалось, что с его помощью можно будет обнаружить компактные объекты, размер которых превышает гравитационный радиус на величину, сопоставимую с планковской длиной. Статья опубликована в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

По общепринятой теории при коллапсе достаточно массивной звезды образуется черная дыра — объект, обладающий настолько сильной гравитацией, что преодолеть ее не может даже свет. Граница этого объекта называется горизонтом событий. К сожалению, наличие подобных областей пространства-времени приводит к различным неприятным эффектам — например, информационному парадоксу или появлению файерволов. Поэтому физики-теоретики предполагают, что вместо черных дыр при коллапсе звезд в действительности могут возникать другие объекты, обладающие теми же гравитационными свойствами, но не имеющие горизонта событий. Такие объекты называются экзотическими компактными объектами (exotic compact objects, ECOs).

Огромная гравитация черных дыр и экзотических компактных объектов затрудняет их наблюдения во всех диапазонах электромагнитного излучения. К счастью, их все еще можно отследить по гравитационному взаимодействию с окружающими объектами. Кроме того, в сентябре 2015 года гравитационная обсерватория LIGO впервые увидела гравитационные волны, образовавшиеся в результате слияния двух черных дыр, и с тех пор ученые зарегистрировали уже шесть подобных событий. Это открывает новые возможности для наблюдения за черными дырами и поиска ECO.

В частности, существует два способа обнаружить или исключить экзотические компактные объекты, регистрируя гравитационные волны от слияния двойной системы. Первый способ полагается на колебания образовавшегося объекта — наличие или отсутствие горизонта событий вносит свои поправки в его излучение, и эти отголоски теоретически можно измерить, записывая гравитационные волны, которые пришли сразу же после слияния. Второй способ учитывает эволюцию двойной системы непосредственно перед слиянием и предполагает измерение приливных деформаций и квадрупольного момента объектов.

В этой статье группа физиков под руководством Валерии Феррари (Valeria Ferrari) предлагает еще один способ отличить с помощью гравитационных волн двойные системы, состоящие из экзотических компактных объектов или черных дыр. А именно, они предлагают использовать тот факт, что приливное разогревание не происходит, если у исходных объектов двойной системы отсутствует горизонт событий. Также ученые обсуждают, можно ли выполнить такие измерения с помощью детектора LISA, состоящего из трех спутников, находящихся друг от друга на расстоянии порядка 150 миллионов километров. Пока что Европейское космическое агентство и NASA планируют запустить этот детектор к 2034 году.

Чтобы упростить расчеты, ученые рассмотрели эволюцию двойной системы в пост-Ньютоновском приближении (приближении уравнений Эйнштейна в пределе низких скоростей). В этом приближении природа происходящих процессов определяется следующими тремя процессами. Во-первых, мультипольные моменты отражают, как объекты реагируют на собственное поле. Во-вторых, приливные числа Лава описывают, как они реагируют на внешнее гравитационное поле своего компаньона (приливная деформация). В-третьих, часть излучения заново поглощается — происходит приливное разогревание объектов. Каждый из этих процессов вносит свой вклад в фазу гравитационной волны, которую можно зарегистрировать с помощью детектора — ψ_PP, ψ_TD и ψ_TH соответственно. К сожалению, во всех известных моделях мультипольные моменты экзотических компактных объектов совпадают с моментами черных дыр. Поэтому приходится ограничиваться измерениями ψ_TD и ψ_TH.

Тем не менее, этих измерений вполне достаточно, чтобы отличить черные дыры от экзотических компактных объектов. С одной стороны, фазу ψ_TD можно извлечь из экспериментальных данных с помощью Байесовского анализа и связать с числами Лава и отношением масс сливающихся объектов. Оценивая параметры LISA, ученые выяснили, что с ее помощью можно будет зафиксировать слияния объектов с числами Лава вплоть до k ~ 0,005. С другой стороны, расстояние между границей r и гравитационным радиусом r_g объекта тем больше, чем больше его число Лава (в действительности r − r_g ~ r_g exp[−1/k]). Для сверхмассивных объектов это расстояние сравнимо с планковской длиной, а для черных дыр оно равно нулю. Учитывая, что числа k ~ 0,005 отвечают расстояниям r − r_g ~ 10⁻³⁰ сантиметров, авторы заключают, что с помощью нового детектора можно будет увидеть «планковские поправки около горизонта событий».

Наконец, черные дыры отличаются от ECO приливным разогреванием. В то время как черные дыры поглощают все излучение (которое не может вырваться из-под горизонта событий), компактные объекты могут полностью его отражать. Эти эффекты также будут выражаться в появлении дополнительной фазы ψ_TH гравитационной волны, и их можно отследить, рассматривая погрешности регистрации.

Авторы статьи отмечают, что оценки на среднюю частоту регистрации ультракомпактных объектов с помощью LISA составляют порядка одного-десяти событий в год. В то же время, планируемая продолжительность миссии составляет около пяти лет. Таким образом, в случае реализации проекта ученые смогут либо подтвердить существование ECO (если они поймают сигнал нужной формы), либо опровергнуть с высокой степени достоверности (если таких сигналов зарегистрировано не будет).

В ноябре прошлого года физики из Португалии и Испании показали, что черную дыру и бозонную звезду — одну из моделей экзотического компактного объекта — можно отличить с помощью гравитационного линзирования. Также мы писали, как с помощью детектора Унру-деВитта можно различить черную дыру и геон ℝP³ — гравитационную волну, которая удерживается на месте своей огромной энергией.

Дмитрий Трунин