В недавнем исследовании учёный из Принстонского университета провёл первое нелинейное исследование слияния имитаторов чёрных дыр, стремясь понять природу сигналов гравитационных волн, излучаемых этими объектами. Это открытие может помочь более точно идентифицировать чёрные дыры и похожие экстремальные объектв.

Чёрные дыры-имитаторы — это гипотетические астрономические объекты, которые имитируют чёрные дыры, в частности, в своих гравитационно-волновых сигналах и их влиянии на окружающие объекты. Однако у них отсутствует горизонт событий.

Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, фокусируется на типе имитаторов чёрных дыр, называемых бозонными звёздами. Ключ к их отличию от чёрных дыр заключается в гравитационных волнах, испускаемых при столкновении и слиянии бозонных звёзд.

Гравитационные волны, испускаемые чёрной дырой-имитатором в центре. Более яркие цвета указывают на более высокие амплитуды волн. Полукруги расширяются со временем по мере распространения волн наружу. Источник: Nils Siemonsen

Бозонные звёзды состоят из скалярных бозонов, таких как гипотетические аксионы, которые являются бозонами без спина, то есть не имеют собственного углового момента. Скалярные поля частиц образуют гравитационно связанную, стабильную конфигурацию, не нуждаясь в сильном взаимодействии.

Предыдущие исследования показали, что слияние двойной бозонной звёздной системы приводит к появлению гравитационно-волновых сигналов, которые представляют собой рябь в пространстве-времени, вызванную бурными процессами. Однако эти сигналы полностью идентичны сигналам коллапса чёрной дыры (или фазе после слияния) независимо от внутренней структуры имитатора чёрной дыры.

Разница в излучаемых сигналах гравитационных волн видна после определённого времени пересечения светом внутренней части имитатора, которое представляет собой время, необходимое свету для прохождения диаметра объекта. В случае имитатора чёрной дыры это характеризуется повторяющимися всплесками «гравитационного эха».

Исследование показало, что гравитационно-волновой сигнал кольцевого спада содержит всплескоподобный компонент с иными свойствами, чем считалось ранее, а также долгоживущий гравитационно-волновой компонент. Ни один из этих компонентов не присутствует в обычном слиянии и коллапсе двойной чёрной дыры.

Это открытие может послужить руководством для будущих исследований гравитационных волн, направленных на проверку парадигмы поведения чёрной дыры. Кроме того, исследование показало, что время всплесков зависит от размера меньшей бозонной звезды, участвующей в слиянии.