11 февраля 2016 года исследователи Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) впервые объявили об обнаружении гравитационных волн (ГВ). Как и предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, эти волны возникают в результате слияния массивных объектов, что вызывает рябь в пространстве-времени, которую можно обнаружить. С тех пор астрофизики выдвинули бесчисленные теории о том, как ГВ можно использовать для изучения физики, выходящей за рамки стандартных моделей гравитации и физики элементарных частиц, а также для улучшения нашего понимания Вселенной.
На сегодняшний день ГВ были предложены в качестве средства изучения тёмной материи, недр нейтронных звёзд и сверхновых, слияний сверхмассивных чёрных дыр и многого другого. В недавнем исследовании группа физиков из Университета Амстердама и Гарвардского университета предложила способ использования ГВ для поиска сверхлёгких бозонов вокруг чёрных дыр. Этот метод может не только предложить новый способ определения свойств двойных чёрных дыр, но и привести к открытию новых частиц.
Исследование было проведено учёными Центра гравитационной астрофизики Амстердама (GRAPPA) Амстердамского университета при поддержке Центра теоретической физики и Национального центра теоретических наук Университета Тайбэя (Тайвань) и Гарвардского университета. Статья, описывающая их работу, недавно появилась в Physical Review Letters.
Хорошо известно, что обычное вещество со временем будет поглощаться чёрными дырами, которые образуют аккреционный диск вокруг своего внешнего края (он же горизонт событий). Этот диск будет разгоняться до невероятных скоростей, заставляя материал внутри перегреваться и высвобождать огромное количество радиации, медленно аккрецируясь на поверхность чёрной дыры. Однако в течение последних нескольких десятилетий учёные наблюдали, что чёрные дыры теряют часть своей массы в результате процесса, называемого “сверхизлучением”.
Это явление изучал Стивен Хокинг, который описал, как вращающиеся чёрные дыры испускают излучение, которое кажется “реальным” для близкого наблюдателя, но “виртуальным” для находящегося на значительном расстоянии. В процессе переноса этого излучения из одной системы отсчёта в другую ускорение самой частицы заставило бы её перейти из виртуальной в реальную. Эта экзотическая форма энергии, известная как “излучение Хокинга”, будет формировать облака маломассивных частиц вокруг чёрной дыры. Это приведёт к появлению “гравитационного атома” (облака частиц, окружающих ядро).
Хотя исследователи знают, что это явление существует, они также понимают, что его можно объяснить только существованием новой сверхлёгкой частицы, которая выходит за пределы стандартной модели. Это и было в центре внимания новой статьи, в которой ведущий автор Даниэль Бауманн (GRAPPA и Университет Тайбэя) и его коллеги исследовали, как сверхизлучение вызывает спонтанное формирование нестабильных облаков сверхлёгких бозонов вокруг чёрных дыр. Кроме того, они предполагают, что сходство между гравитационными и обычными атомами не ограничивается их структурой.
Короче говоря, они предполагают, что двойные чёрные дыры могут вызывать ионизацию частиц в своих облаках посредством фотоэлектрического эффекта. Как описал Эйнштейн, это происходит, когда электромагнитная энергия (например, свет) вступает в контакт с материалом, заставляя его испускать возбуждённые электроны (фотоэлектроны). Применительно к двойной чёрной дыре Бауманн и его коллеги показывают, как облака сверхлёгких бозонов могут поглощать “орбитальную энергию” компаньона чёрной дыры. Это приводит к выбросу и ускорению некоторых бозонов, о чём свидетельствуют связанные с чёрной дырой гравитационные волны.
Наконец, они продемонстрировали, как этот процесс может резко изменить эволюцию двойных чёрных дыр, сократив время, необходимое для слияния объектов. Как они заявляют:
“Орбитальная энергия, потерянная в этом процессе, может превысить потери из-за излучения ГВ, так что ионизация управляет спиралью, а не просто возмущает её. Мы показываем, что мощность ионизации содержит особенности, которые приводят к характерным изломам в эволюции излучаемой частоты ГВ”.
Они утверждают, что эти “изломы” будут различимы для интерферометров следующего поколения, таких как LISA. Этот процесс можно использовать для открытия совершенно нового класса сверхлёгких частиц и предоставления прямой информации о массе и состоянии облаков “гравитационных атомов”. Короче говоря, продолжающиеся исследования ГВ с использованием более чувствительных интерферометров могут раскрыть экзотическую физику, которая продвинет наше понимание чёрных дыр и приведёт к новым прорывам в физике элементарных частиц.
Это одна из многих возможностей, появившихся благодаря революции, происходящей в ГВ-астрономии. В ближайшие годы астрофизики надеются использовать их для исследования самых экстремальных сред во Вселенной, таких как чёрные дыры и нейтронные звёзды. Они также надеются, что первичные гравитационные волны прольют свет на раннюю Вселенную, помогут разгадать тайну дисбаланса материи и антиматерии и приведут к появлению квантовой теории гравитации (также известной как Теория Всего).