Приливная деформируемость чёрной дыры — это мера того, насколько сильно меняется форма чёрной дыры под действием внешнего гравитационного поля, например, поля звезды-компаньона или другой чёрной дыры. В общей теории относительности чёрные дыры часто описывают как объекты «без волос» — то есть они характеризуются только массой, спином и зарядом, — и иногда считают их абсолютно жёсткими. Однако, когда чёрная дыра помещается в сильное неоднородное гравитационное поле, её горизонт событий может слегка искажаться, и это искажение количественно описывается параметром приливной деформируемости.
История
Концепция была разработана в контексте физики гравитационных волн в 2000-х годах; ключевой вклад внесли Тибальт Дамур и другие исследователи, изучавшие приливные эффекты в компактных двойных системах. Первые наблюдательные ограничения были получены благодаря детектированию слияний чёрных дыр обсерваториями LIGO и Virgo, начиная с 2015 года.
Как это работает
Приливная деформируемость определяется через соотношение между индуцированным квадрупольным моментом чёрной дыры и внешним приливным полем. Для невращающейся чёрной дыры в общей теории относительности этот параметр в точности равен нулю — чёрная дыра не деформируется. Это уникальное предсказание теории Эйнштейна, отличающее чёрные дыры от других компактных объектов, таких как нейтронные звёзды, у которых приливная деформируемость отлична от нуля. В наблюдениях гравитационных волн приливная деформируемость оставляет отпечаток на форме сигнала во время фазы сближения, что позволяет учёным определить природу сливающихся объектов.
Где применяется
Она используется для проверки общей теории относительности и для различения чёрных дыр и нейтронных звёзд в данных гравитационно-волновых детекторов, а также для поиска возможных отклонений от классического поведения чёрных дыр, которые могут возникать в квантовой гравитации или альтернативных теориях.
Любопытный факт
В общей теории относительности невращающаяся чёрная дыра имеет в точности нулевую приливную деформируемость, то есть это единственный известный объект в физике, который абсолютно жёсток под действием приливных сил.
Когда два массивных тела сливаются в одно, по ткани пространства-времени расходятся гравитационные волны — рябь, подобная кругам на воде от брошенного камня. После слияния чёрная дыра ещё некоторое время «звенит», испуская особые колебания — квазинормальные моды. Обычно этот звон быстро затухает, как эхо в пустом зале.
Бросьте в пруд два камня разной формы — круги на воде расскажут, какой из них был гладким, а какой угловатым. Так же работают гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: когда два сверхплотных объекта сливаются, дрожь пространства-времени разносит подробности об их внутреннем устройстве.
Свет издалека огибает чёрную дыру, как велосипедист — крутой поворот. Чуть ближе — и он уже наматывает круги по невидимой сфере из фотонов, которую физики называют фотонной сферой. Такая сфера есть у каждой чёрной дыры, но обычно она шаткая: малейший толчок — и свет улетает прочь или падает внутрь.
Звезда кружит вокруг вращающейся чёрной дыры, словно фигуристка в центре катка. Пока она далеко и её можно считать точечной массой, танец остаётся предсказуемым: орбита подчиняется чётким законам небесной механики, как музыка, по которой легко скользить. Но стоит ей приблизиться, и гравитация начинает действовать неравномерно.
Камень падает в спокойную воду — по поверхности расходятся круги. Похоже ведёт себя чёрная дыра, когда в неё что-то падает или она сливается с другой. Дыра начинает колебаться, и эти колебания уходят в пространство гравитационными волнами. Астрофизики называют этот процесс «звоном» чёрной дыры.
Две нейтронные звезды кружатся в тесном танце, и каждая чувствует приливное поле соседки. Так Луна поднимает океаны на Земле, только здесь деформируется само пространство-время и вещество звезды. Астрофизики называют это приливной деформацией — мерой того, насколько сильно объект «прогибается» под действием гравитации партнёра.
Луч света, пролетающий мимо массивного тела, отклоняется — это эффект гравитационного линзирования, знакомый по снимкам далёких галактик. Астрофизики взяли за основу вращающуюся чёрную дыру (пространство-время Керра) и добавили крошечную поправку к тому, как распространяется сам свет.
В центре большинства галактик прячутся сверхмассивные чёрные дыры — властелины гравитации. С 2019 года, благодаря интерферометрии со сверхдлинными базами, мы видим их тени: тёмные силуэты на фоне сияющего газа. Но что именно рисует эту тень? Два сценария, как две куклы в театре теней, могут отбросить почти неотличимые очертания.
Газ, проходя через узкий клапан, может нагреться или остыть — это эффект Джоуля–Томсона, на нём работают холодильники и сжижители воздуха. Оказывается, чёрные дыры тоже умеют так себя вести.
Две чёрные дыры проносятся мимо друг друга, как гоночные болиды на встречных полосах. В обычной общей теории относительности они остаются «лысыми» — никаких дополнительных полей вокруг них не возникает. Но если в уравнения добавить скалярное поле (нечто вроде невидимого тумана, пронизывающего пространство), правила меняются.
Чайная ложка вещества нейтронной звезды весит как гора. Но у этой горы может быть невидимый близнец.
В недрах нейтронной звезды обычное вещество спрессовано до немыслимых плотностей. Там протоны и нейтроны могут растворяться в кварковый суп.
В центре внимания — черная дыра, но не простая. Она несет в себе магнитный монополь и окружена дилатоном — полем, которое размывает привычные границы пространства. Авторы проверили, насколько такая система устойчива к тепловым толчкам.
Магнитный монополь — гипотетическая частица с одним магнитным полюсом.
Океан под Луной вздымается на целый метр — это прилив. Если рядом с чёрной дырой окажется массивное тело, дыра тоже почувствует приливное воздействие. В обычной эйнштейновской гравитации она на такой статический прилив не отвечает: её «приливные числа» (показатели податливости) равны нулю.
В аккреционных дисках, опоясывающих ядра активных галактик — квазаров, открытых ещё Маартеном Шмидтом в далёких 1960-х, — бурлит река из раскалённого газа и пыли. В её заводях, где утихают турбулентные потоки, вопреки всему рождаются планеты.
Бросьте камешек в пруд — по воде побегут круги. Примерно так же массивное тело, кружащее вокруг чёрной дыры, возмущает ткань пространства-времени, порождая гравитационные волны. Но что, если сам пруд не плоский, а имеет скрытые складки — дополнительные измерения, невидимые глазу?
Камень падает в пруд — и круги на воде ещё долго рассказывают, где он ушёл на дно. С чёрной дырой, казалось бы, иначе: всё, что пересекает горизонт (границу, из-под которой не выходит даже свет), исчезает бесследно. Классическая физика утверждала, что снаружи видны лишь масса, заряд и вращение — три «лысых» параметра.
Слияние двух чёрных дыр похоже на танец, который заканчивается мощным всплеском — гравитационной волной. Эта волна несёт в себе отпечаток того, как искривлено пространство-время вокруг объектов.
Когда две чёрные дыры сталкиваются, они испускают гравитационные волны — рябь пространства-времени — и звенят, словно массивный колокол. Затухающий звук этого звона, или рингдаун (от англ. ringdown — затухающие колебания), несёт отпечаток свойств финальной чёрной дыры.
Вращающаяся чёрная дыра — космический водоворот, который затягивает всё вокруг. У некоторых таких дыр есть невидимые нити, которые тянутся от горизонта событий, как спицы от колеса. Учёные долго спорили, что это за нити и можно ли их увидеть.
В новой работе физики показали, что эти нити — не просто математическая условность.
Когда звезда подходит слишком близко к чёрной дыре, та начинает тянуть её к себе. Если звезда не попадает внутрь целиком, а лишь теряет часть вещества, она может пережить несколько таких «укусов». Каждый раз от неё отрывается кусок газа, который разогревается и вспыхивает — астрономы видят яркую точку на небе.
Если два стальных шара кружатся рядом, их взаимное притяжение бессильно изменить форму каждого. Водяной шар, напротив, вытянулся бы, как капля. Свежий анализ гравитационных волн — ряби пространства-времени — от слияния чёрных дыр GW250114, самого чёткого из зарегистрированных, показал: чёрные дыры подобны абсолютно твёрдым стальным шарам.
Чёрная дыра в общей теории относительности долго слыла идеальным зеркалом: какие бы поля на неё ни падали, она не деформировалась. Приливные числа Лява, мера деформации тела под действием внешнего приливного поля, для скалярных, электромагнитных и гравитационных возмущений оказывались равными нулю. Это казалось железным правилом, пока не пришли фермионы.
