Астрофизик-теоретик из Университета Западной Вирджинии в Моргантауне, вычислил точную математическую формулу для формы волны, создаваемой двумя сливающимися черными дырами. Препринт статьи доступен на сайте ArXiv.org.
В 1916 году Эйнштейн предсказал, что, когда две звезды вращаются друг вокруг друга, они будут излучать гравитационные волны. И хотя физик полагал, что волны будут слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить. В 2015 году физики с помощью лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) заметили всплеск волн от слияния двух черных дыр в 1,3 миллиарда световых лет от нас, используя оптические инструменты в Хэнфорде, Вашингтон, и Ливингстоне, Луизиана.
Когда две черные дыры сближаются по спирали, они испускают в пространство рябь. При ускорении вращения интенсивность волн возрастает, а когда два объекта сталкиваются она исчезает. Чтобы расшифровать сигнал и определить массы черных дыр и другие параметры, ученые сравнивают его с каталогом моделируемых сигналов.
Согласно Общей теории относительности, гравитация возникает, когда масса и энергия искривляют пространство-время. А черная дыра — это сверхинтенсивное гравитационное поле, возникшее, когда массивная звезда коллапсирует в бесконечно малую точку. Поэтому, когда две черные дыры вращаются вместе, искривление порождает искривление и делает математическое моделирование практически невозможным.
Или так предполагали многие ученые. Однако, Шон МакУильямс, сотрудник Университета Западной Вирджинии в Моргантауне, заявил, что нашел способ вычислить форму гравитационной волны при слиянии разных по массе черных дыр.
Предыдущие попытки вычислить точную форму волны от слияния черных дыр основывались на стандартном математическом преобразовании, превратившем задачу о двух вращающихся черных дырах в задачу об одном теле, вращающемся по спирали в воронкообразном энергетическом ландшафте. Но оказалось, что на самом деле во внутренней стабильной круговой орбите тело перестает вращаться по спирали. Это заставляет исследователей корректировать свои расчеты с помощью численного моделирования.
МакУильямс понял, что он может избежать этой проблемы, перейдя ко второй сливающейся черной дыре. Затем он использовал общую теорию относительности, чтобы вычислить, как крошечная масса спиралями входит и возмущает вторую черную дыру. Это позволило астрофизику вычислить форму гравитационной волны, которая при этом получается.