Ученые из Кембриджского университета разработали новый метод анализа колебаний, возникающих после слияния черных дыр. Этот подход позволяет точнее идентифицировать гравитационные волны, испускаемые новообразованной черной дырой в процессе ее перехода к стабильной форме. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Когда две черные дыры сталкиваются, образовавшийся в результате объект продолжает колебаться, посылая в пространство гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени, предсказанную Альбертом Эйнштейном. Частота этих колебаний зависит от массы и спина конечной черной дыры, что позволяет ученым получать информацию о свойствах объекта. Такие колебания, известные как квазинормальные моды, служат своеобразным отпечатком пальца черной дыры и важны для проверки общей теории относительности в экстремальных условиях.
Авторы работы, Ричард Дайер и доктор Кристофер Мур, применили байесовский анализ — статистический метод, который оценивает вероятность различных объяснений для набора данных. Это позволило им выявить не только основной «тон» колебаний, но и более слабые гармоники — обертоны, которые затухают быстрее. Как отметил Дайер, хотя самый громкий режим регулярно наблюдается в данных гравитационных волн, более тихие моды обнаружить значительно сложнее, и новый метод дает систематический способ разрешить эту неопределенность.
В ходе анализа компьютерных симуляций слияний черных дыр исследователи также обнаружили необычные «нелинейные моды». Эти колебания возникают при взаимодействии двух или более основных частот и производят сложные сигналы, которые можно сравнить со звуком электрогитары с сильными искажениями. Обнаружение таких сигналов требует высококачественных данных и тщательного анализа для отделения слабых сигналов от шума.
Ученые проверили свою методику на общедоступном каталоге точных симуляций, охватывающем широкий диапазон соотношений масс и конфигураций спинов. Они зафиксировали, какие моды можно обнаружить и в какой момент они появляются. По мнению исследователей, полученные результаты помогут в интерпретации данных с действующих детекторов гравитационных волн, таких как LIGO и Virgo, а также будущих инструментов нового поколения. Знание того, какие частоты вероятны при конкретном слиянии, позволит проводить более точные проверки общей теории относительности, включая подтверждение того, обладает ли конечная черная дыра свойствами, предсказанными уравнениями Эйнштейна.