Как гравитационные волны могут обнаружить скрытую материю у чёрных дыр

После слияния двух чёрных дыр образовавшийся объект на короткое время «звенит», подобно ударенному колоколу. Эта стадия называется рингдауном. Именно она особенно удобна для проверки: ведёт ли себя остаточная чёрная дыра как предсказывает общая теория относительности для вакуумной чёрной дыры — или в сигнале заметен дополнительный след вещества, полей либо иной новой физики.

Важно не переоценивать нынешние результаты: гравитационные волны ещё не обнаружили скрытую материю у чёрных дыр. Речь идёт о наборе развивающихся методов, которые используют разные диапазоны частот и разные типы сигналов: короткий рингдаун после слияния, слияния массивных чёрных дыр для будущей миссии LISA и наногерцевый фон, измеряемый пульсарными тайминговыми массивами.

Рингдаун: поиск «волос» у чёрной дыры

Согласно общей теории относительности, изолированная вращающаяся чёрная дыра Керра полностью описывается массой и спином. Её рингдаун складывается из затухающих колебаний — квазинормальных мод. Действительная часть комплексной частоты задаёт темп колебаний, а мнимая — скорость угасания сигнала. 20

Исследователи из Нагойского университета предложили искать по отклонениям обоих параметров эффективные «волосы» чёрной дыры: дополнительную структуру, связанную с окружающей материей, экзотическими полями или невакуумной геометрией пространства-времени.

В этом подходе важны несколько вещей:

• Частота и затухание могут изменяться по-разному. Среда из вещества способна независимо сдвигать частоту колебаний и скорость их угасания. Поэтому совместное измерение двух величин информативнее, чем проверка только одной частоты.
• Важна не только масса вещества. Ожидаемый сдвиг зависит от того, как вещество распределено: от его плотности и конфигурации давления. Иными словами, разные среды по-разному меняют потенциал пространства-времени, в котором распространяется возмущение.
• Вращение создаёт направленный признак. В моделях вращающихся чёрных дыр вещество, движущееся в направлении вращения, и вещество, движущееся против него, могут по-разному влиять на частоту и затухание. Это даёт дополнительный критерий для сравнения моделей распределения материи и геометрий вращающихся объектов.

Это не «снимок» скрытого вещества, а задача выбора между моделями. Аномальный рингдаун сам по себе не докажет существование тёмной материи и не подтвердит конкретную теорию модифицированной гравитации. Интерпретацию могут осложнять неточности моделей волн, прецессия спинов в двойной системе и слабое отношение сигнал/шум; одна лишь прецессия способна менять эффективные частоты рингдауна, измеряемые детектором. 17

Два пути LISA к ультралёгким бозонам

Космическая обсерватория LISA (Laser Interferometer Space Antenna), запуск которой планируется Европейским космическим агентством, будет чувствительна к гравитационным волнам гораздо более низких частот, чем наземные установки. В частности, она рассчитана на слияния массивных чёрных дыр. Это делает LISA перспективным инструментом для поиска ультралёгких бозонов через эффект сверхизлучения чёрной дыры.

В этой картине бозон подходящей массы может извлекать энергию вращения быстро вращающейся чёрной дыры и формировать гравитационно связанное облако. Возможны два типа сигналов.

1. Необычное распределение масс и спинов

Сверхизлучение способно уменьшать спин чёрных дыр в диапазонах масс, определяемых массой бозона. В большой выборке это может проявиться как резкие особенности, дефицит объектов или их скопления на диаграмме «масса—спин» для массивных чёрных дыр.

Прогнозы, рассматриваемые в исследовательских материалах, используют три сценария популяции массивных чёрных дыр — с «лёгкими» и «тяжёлыми» начальными затравками. В этих предположениях измерения спинов с помощью LISA могли бы ограничить массу скалярных бозонов примерно диапазоном от (5 \times 10^{-18}) до (10^{-14}) эВ. Точная чувствительность различается для скалярных и векторных бозонов и зависит от принятой модели популяции чёрных дыр.

Это принципиальная оговорка: вероятность обнаружения определяется не только свойствами бозона. Она зависит также от числа слияний массивных чёрных дыр, их масс, спинов и красных смещений, а также от того, как часто после слияния остаётся объект, пригодный для последующего поиска.

2. Длительная волна после слияния

Бозонное облако вокруг остатка после слияния может излучать почти монохроматическую и долгоживущую гравитационную волну — уже после короткого всплеска от самого слияния и рингдауна. Это другой объект поиска: вместо едва заметной деформации кратковременного сигнала исследователи будут искать устойчивое излучение самого облака.

Отсутствие такого сигнала ограничило бы не все варианты моделей ультралёгких бозонов сразу, а сочетание их свойств, спинов чёрных дыр и истории формирования этих объектов.

Что уже даёт каталог GWTC-5.0

Каталог LIGO–Virgo–KAGRA GWTC-5.0 добавил 161 значимый сигнал от компактных двойных систем, зарегистрированный во время этапа наблюдений O4b. Общее число обнаружений с первого наблюдения в 2015 году достигло 390. 123

Эти события не устанавливают существование «волос» у чёрных дыр и не являются обнаружением ультралёгких бозонов. Их ценность — в накоплении статистики: большие каталоги улучшают измерения масс, спинов и свойств популяций чёрных дыр, помогают уточнять модели сигналов и объединять информацию от множества событий.

Наземные детекторы в основном наблюдают слияния объектов звёздных масс. LISA расширит исследования на массивные чёрные дыры и более низкие частоты. Рингдаун-анализ изучает секунды или минуты вокруг конкретного слияния, тогда как пульсарные тайминговые массивы анализируют наногерцевые сигналы, накапливающиеся годами. Эти подходы дополняют, а не заменяют друг друга.

Пульсарные тайминговые массивы и экзотическое происхождение чёрных дыр

Пульсарные тайминговые массивы отслеживают крошечные коррелированные изменения времени прихода импульсов от быстро вращающихся нейтронных звёзд — пульсаров. Полученные ими свидетельства существования стохастического гравитационно-волнового фона в наногерцевом диапазоне обычно прежде всего связывают с космической популяцией сближающихся двойных сверхмассивных чёрных дыр.

Но этот фон позволяет проверять и более спекулятивные сценарии ранней Вселенной. В одной из недавних гипотез значительную долю фона могли бы создавать чёрные дыры — потомки предполагаемых сверхмассивных «тёмных звёзд», чья эволюция частично подпитывалась процессами с тёмной материей. Такая версия остаётся предложенной возможностью, а не установленным объяснением.

Проверять можно и другие варианты: необычные ранние популяции чёрных дыр, первичные чёрные дыры, космические струны и фазовые переходы. Их различают по предсказываемым темпам слияний, распределениям масс и спинов, эволюции с красным смещением, непрерывным сигналам и спектру стохастического фона.

Главный вывод

Наиболее надёжные ограничения в будущем, вероятно, даст сопоставление нескольких наблюдаемых величин, а не один необычный сигнал:

1. Частота и затухание рингдауна проверяют, согласуется ли конкретный остаток с вакуумной чёрной дырой Керра.
2. Распределения масс и спинов могут показать следы сверхизлучения или другой физики в эволюции чёрных дыр.
3. Долгоживущие волны позволяют непосредственно искать бозонные облака.
4. Наногерцевый фон помогает проверять историю сборки самых массивных чёрных дыр во Вселенной.

Вместе эти измерения могут помочь отделить обычную астрофизическую сложность от действительно новой физики. Пока же данные говорят не об открытии скрытой материи у чёрных дыр, а о быстро расширяющемся наборе инструментов для её поиска.