Гравитационные волны сузили поиск «самозванцев» среди чёрных дыр

Когда две чёрные дыры сближаются и сливаются, они порождают гравитационные волны — рябь пространства-времени, улавливаемую детекторами LIGO, Virgo и KAGRA. Однако другие экзотические компактные объекты, предсказываемые некоторыми физическими теориями, теоретически могут производить схожие сигналы. Международная команда из Бирмингемского университета, Периметрического института теоретической физики (Канада) и других организаций применила новый подход, чтобы отличить истинные чёрные дыры от возможных «имитаторов». Работа опубликована в Physical Review Letters.

Почему отличить чёрные дыры от «двойников» так сложно

Чёрная дыра — согласно общей теории относительности — идеально сферична в нейтральном состоянии и принимает строго определённую приплюснутую форму при вращении, которая задаётся одним параметром: значением спина. У других теоретических объектов — звёзд из бозонов, кротовых нор, гравастаров — форма при вращении может отличаться.

Один из способов уловить эту разницу — измерить так называемый квадрупольный момент, обусловленный вращением (spin-induced quadrupole moment, SIQM). Для чёрной дыры он строго определяется спином. Если измеренное значение отклоняется — значит, перед нами, возможно, не чёрная дыра.

Исследователи разработали метод Байесовского анализа, позволяющий извлекать SIQM из реальных данных о гравитационных волнах, и применили его к событию GW241011 — слиянию, зафиксированному в октябре 2024 года.

Что дал анализ

GW241011 оказался полезен именно потому, что оба сливавшихся объекта имели значительный спин — а именно вращение в первую очередь искажает форму объекта и влияет на квадрупольный момент. Чем быстрее вращение, тем сильнее проявляется разница между чёрной дырой и возможным «самозванцем».

Ключевые результаты:

• измеренные значения SIQM совместимы с чёрными дырами, предсказываемыми общей теорией относительности;
• многие классы вращающихся экзотических компактных объектов исключены или значительно ограничены: их квадрупольные моменты при таком спине отклонились бы от наблюдаемых значений;
• впервые применённый Байесовский анализ сразу двух объектов в одном сигнале позволил получить более жёсткие ограничения, чем при независимом анализе каждого;
• точность ограничений возросла по сравнению с предыдущими событиями, проанализированными схожими методами.

Значение для физики и следующие шаги

Работа не «доказывает», что GW241011 было порождено именно чёрными дырами в строгом смысле — это был бы дополнительный вклад общей теории относительности за пределами её стандартных предсказаний. Но она сужает круг альтернатив: некоторые конкретные физические модели экзотических объектов теперь менее правдоподобны.

Читайте также по теме: скрытых популяциях сливающихся чёрных дыр.

С расширением каталога гравитационных волн (к 2026 году зафиксировано 390 событий) и вводом в строй более чувствительных детекторов — в частности, Einstein Telescope и Cosmic Explorer, планируемых на следующее десятилетие, — подобные измерения станут точнее. При достаточной статистике удастся либо надёжно идентифицировать все слившиеся объекты как чёрные дыры, либо обнаружить статистически значимое отклонение, указывающее на новую физику.