Гравитационные волны помогают отличить чёрные дыры от экзотических двойников

Когда две чёрные дыры сталкиваются и сливаются, они создают волны в самой ткани пространства-времени — гравитационные волны. Проблема в том, что похожие сигналы могут испускать и другие экзотические компактные объекты, такие как бозонные звёзды. Новый анализ гравитационных волн позволяет учёным лучше различать эти события и сужать поиск настоящих чёрных дыр среди кандидатов.

Как отличить чёрную дыру от подделки

Чёрные дыры полностью характеризуются двумя параметрами: массой и спином (вращением). Экзотические компактные объекты могут иметь дополнительную внутреннюю структуру, которая влияет на их мультипольные моменты — в частности, на спин-индуцированный квадрупольный момент. Этот момент описывает, как вращение объекта деформирует его распределение массы, отклоняя его от идеальной сферы. Разные типы компактных объектов оставляют характерные отпечатки в гравитационных волнах, что позволяет их различать.

Событие GW241011: идеальный тестовый случай

Исследователи из Университета Бирмингема, Института теоретической физики Перимметра и других учреждений проанализировали гравитационный сигнал GW241011, зарегистрированный детекторами LIGO Hanford и Virgo в октябре 2024 года. Событие было связано со слиянием двух компактных объектов с массами примерно 19,6 и 5,9 солнечных масс соответственно. Более массивный объект обладал безразмерным спином приблизительно 0,78.

Комбинация высокого отношения масс, быстрого вращения первичного объекта и высокого отношения сигнал-шум (около 36 в сети детекторов) сделала GW241011 идеальным случаем для применения метода, разработанного исследователями почти восемь лет назад. Это позволило измерить спин-индуцированный квадрупольный момент первичного объекта с беспрецедентной точностью.

Какие объекты исключены

Исследователи сравнили измеренный квадрупольный момент с теоретическими предсказаниями для различных типов экзотических компактных объектов. Они рассмотрели вращающиеся бозонные звёзды — гипотетические компактные объекты, состоящие из бозонов (частиц, способных занимать одно и то же квантовое состояние), а также экзотические жидкие звёзды.

Анализ показал, что большие классы экзотических компактных объектов, включая вращающиеся бозонные звёзды с четвёртичными самовзаимодействиями, несовместимы с наблюдаемыми свойствами первичного объекта GW241011. Это позволило исследователям исключить эти модели как возможное объяснение.

Что остаётся возможным

Однако анализ также показал, что достаточно компактные экзотические объекты с компактностью C≳0,24 остаются жизнеспособными альтернативами. Компактность — это отношение гравитационного радиуса объекта к его физическому радиусу. Таким образом, полностью исключить все экзотические объекты на основе этого события пока не удалось, но значительно сужен диапазон возможных альтернатив.

История метода

Метод измерения спин-индуцированного квадрупольного момента для различения чёрных дыр и экзотических объектов был впервые предложен в 2017 году и опубликован в Physical Review Letters. С тех пор исследователи применяли этот подход для анализа гравитационных волн. Все наблюдения до сих пор были согласованы с предсказаниями общей теории относительности для двойных систем чёрных дыр, однако метод обещает быть особенно мощным именно для событий с быстро вращающимся первичным объектом, значительной асимметрией масс и высоким отношением сигнал-шум.

Значение для будущих исследований

Результаты, опубликованные в Physical Review Letters, демонстрируют, что гравитационные волны могут служить инструментом для проверки фундаментальных предсказаний общей теории относительности и поиска экзотических объектов, если они существуют. По мере совершенствования детекторов гравитационных волн и накопления данных о новых событиях слияния, этот метод будет становиться всё более чувствительным к различиям между чёрными дырами и их потенциальными двойниками.

Это данные исследования, а не медицинский совет.