Ученый впервые провел нелинейное исследование имитаторов черных дыр
В своем недавнем исследовании ученые из Принстонского университета впервые провели нелинейное исследование слияния имитатора черной дыры, чтобы понять природу сигналов гравитационных волн, излучаемых этими объектами, что потенциально может помочь в более точном определении черных дыр.
Имитаторы черных дыр – это гипотетические астрономические объекты, которые имитируют черные дыры, в частности, по своим гравитационно-волновым сигналам и их влиянию на окружающие объекты. Однако у них отсутствует горизонт событий, который является точкой невозврата.
Исследование проводил Нильс Симонсен, младший научный сотрудник Принстонского университета, который рассказал Phys.org о своей работе.
“Имитаторы черных дыр – это объекты, удивительно близкие к черным дырам, но не имеющие горизонта событий. Наблюдая за ними, мы сможем отличить черные дыры от объектов, имитирующих большинство их свойств, с помощью наблюдений гравитационных волн”, – сказал он.
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, посвящено одному из типов имитаторов черных дыр, называемых бозонными звездами. Ключ к их отличию от черных дыр, по словам доктора Симонсена, лежит в гравитационных волнах, излучаемых при столкновении и слиянии бозонных звезд.
Бинарные бозонные звезды и слияния
Бозонные звезды – один из потенциальных кандидатов в имитаторы черных дыр, и, как следует из названия, они 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, то есть не обладают собственным угловым моментом. Скалярные поля частиц образуют гравитационно связанную, стабильную конфигурацию, не нуждающуюся в сильном взаимодействии.
Предыдущие исследования показали, что слияние бинарной бозонной звездной системы приводит к появлению сигналов гравитационных волн, которые представляют собой рябь в пространстве-времени, вызванную бурными процессами.
Эти сигналы полностью идентичны сигналам, возникающим при слиянии черных дыр (или на этапе после слияния), независимо от внутренней структуры имитатора черной дыры.
Разница в излучаемых сигналах гравитационных волн проявляется через время пересечения светом внутренней части имитатора, то есть время, необходимое свету для прохождения диаметра имитатора, которым в данном случае является бозонная звезда.
В случае имитатора черной дыры это характеризуется повторяющимися всплесками гравитационного эха.
Стремясь усовершенствовать предыдущие исследования, доктор Симонсен попытался решить такие проблемы, как недостаточный учет нелинейных гравитационных эффектов и исключение самовзаимодействия между веществом объекта.
Нелинейное и самосогласованное рассмотрение имитаторов черных дыр
Чтобы устранить ограничения предыдущих исследований, доктор Симонсен использовал численное моделирование для решения полных уравнений Эйнштейна-Клейна-Гордона, которые описывают эволюцию скалярных полей, таких как в бозонных звездах.
Для слияния в исследовании рассматривались сценарии с большим отношением масс, то есть слияние меньшей бозонной звезды с большей, более компактной, при этом уравнения Клейна-Гордона описывали лобовое столкновение бинарной звездной системы.
Уравнение Клейна-Гордона в сочетании с полевыми уравнениями Эйнштейна, описывающими гравитационную динамику, позволяет исследовать самосогласованную эволюцию системы.
Для решения этого набора уравнений доктор Симонсен использовал метод релаксации Ньютона-Рафсона с методами конечных разностей пятого порядка.
Он рассказал о трудностях, связанных с реализацией этих методов: “Только при определенных условиях из слияния двух бозонных звезд образуется имитатор черной дыры. Область в решении, где это происходит, особенно сложна для моделирования из-за большого разделения масштабов”.
Для их преодоления были использованы такие методы, как адаптивное уточнение сетки и очень высокое разрешение.
Высокочастотные всплески
Моделирование показало, что гравитационно-волновой сигнал от слияния содержит всплескоподобный компонент с другими свойствами, как считалось ранее, а также долгоживущий гравитационно-волновой компонент.
“Ни один из этих компонентов не присутствует в обычных слияниях и слияниях бинарных черных дыр. Это может помочь в будущих поисках гравитационных волн, направленных на проверку парадигмы черных дыр”, – пояснил доктор Симонсен.
Однако первоначальный гравитационно-волновой сигнал имитатора похож на сигнал вращающейся черной дыры, известной как черная дыра Керра, поскольку первичная (или более крупная) бозонная звезда становится более компактной и плотной.
Авторы исследования обнаружили, что время всплесков зависит от размера меньшей бозонной звезды, участвующей в слиянии.
Кроме того, они обнаружили долгоживущий компонент с частотой, сравнимой с той, которую можно было бы ожидать от черной дыры, что, вероятно, связано с колебаниями остаточного объекта.
“Черные дыры оседают в состояние покоя за очень короткое время. С другой стороны, считается, что имитаторы черных дыр переизлучают часть энергии, имеющейся при слиянии, в виде гравитационных волн в течение относительно длительного времени”, – пояснил доктор Симонсен.
Наконец, исследование показало, что общая энергия, излучаемая в гравитационных волнах, значительно больше, чем ожидается от эквивалентного события слияния черных дыр.
Будущая работа
Два компонента, выявленные в ходе исследования, могут быть использованы в качестве дифференциатора между остатком слияния черных дыр и имитатором черной дыры.
“Однако до сих пор остается много вопросов о свойствах хорошо мотивированных имитаторов черных дыр и их динамике слияния и схода с орбиты”, – добавил доктор Симонсен.
Говоря о будущей работе, он отметил: “Одно из интересных будущих направлений – рассмотреть хорошо мотивированный имитатор черной дыры и понять динамику его инспирации, слияния и схода с орбиты в контексте бинара.
“Кроме того, анализ схода этих хорошо мотивированных имитаторов с помощью пертурбативных методов и соединение их с нелинейными методами крайне важны для будущих проверок парадигмы черных дыр с помощью наблюдений гравитационных волн”.
Поделитесь в вашей соцсети👇
