Первое прямое обнаружение гравитационных волн в 2015 году открыло новое окно во Вселенную, позволив, в частности, наблюдать слияние пар массивных черных дыр. Эта молодая область исследований созрела очень быстро, и к настоящему времени наблюдались десятки слияний черных дыр.
Текущие наблюдения ограничиваются самыми последними стадиями коллапса — часто всего за несколько секунд — когда излучаемые гравитационные волны чрезвычайно сильны. К счастью, в настоящее время проводится несколько новых экспериментов, которые позволят исследователям наблюдать за парами черных дыр гораздо дольше, прежде чем произойдет слияние, потенциально даже в течение многих лет.
Когда начнут поступать эти гораздо более точные измерения, исследователи хотят быть готовыми и способными их интерпретировать. Пиппа Коул (Pippa Cole), постдокторский исследователь в группе Джанфранко Бертоне и автор новой статьи, опубликованной в журнале Nature Astronomy, объясняет: «С помощью текущих измерений мы можем узнать несколько фактов о самих сливающихся черных дырах, но очень мало об окружающей среде, в которой происходит слияние. Эта среда сама по себе чрезвычайно интересна. Например, она может рассказать нам об одной из других текущих загадок астрофизики: о темной материи. Когда-то мы сможем использовать будущий детектор, такой как LISA, для наблюдения за слиянием черных дыр в большем периоде времени, что позволит нам делать осмысленные заявления об их окружающей среде».
По словам Коула и его сотрудников, следующее поколение экспериментов сможет идентифицировать гравитационные волны, генерируемые слияниями черных дыр в присутствии окружающей среды, будь то аккреционный диск, гравитационный атом или всплеск темной материи. Это открывает возможность поиска новых сверхлегких частиц, а также кандидатов в темную материю с гравитационными волнами.
Есть как минимум три различных типа интересных сред, которые могут окружать черные дыры. Наиболее известным из них является так называемый аккреционный диск — диск очень горячего газа, вращающегося вокруг черной дыры, подобный тем, которые были недавно засняты телескопом Event Horizon.
Но есть и другие. Черная дыра может быть окружена облаком сверхлегких частиц, образующих структуру, которую астрономы назвали гравитационным атомом. И, наконец, может существовать темная материя, неуловимая форма материи, которая, кажется, пронизывает космос во всех масштабах, но фундаментальная природа которой остается неизвестной. Ожидается, что она будет накапливаться вокруг черных дыр по мере их формирования и роста в конфигурации с высокой плотностью, называемой шипами.
По словам Коула и его сотрудников, следующее поколение экспериментов сможет идентифицировать гравитационные волны, генерируемые слияниями черных дыр в присутствии окружающей среды, будь то аккреционный диск, гравитационный атом или всплеск темной материи. Это открывает возможность поиска новых сверхлегких частиц, а также кандидатов в темную материю с гравитационными волнами.
Источник: Philippa S. Cole et al, Distinguishing environmental effects on binary black hole gravitational waveforms, Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-01990-2
