Черните дупки са едни от най-енигматичните обекти във Вселената. Това отчасти се дължи на факта, че уравненията на общата теория на относителността, които използваме, за да ги разберем, се разпадат, когато изучаваме свръхплътните центрове на черните дупки.
Въпреки това, нов документ показва как астрономите биха могли един ден да преодолеят това предизвикателство, като използват гравитационни вълни, за да „видят“ вътрешността на сливащи се черни дупки и да научат от какво всъщност са направени.
В общата теория на относителността на Айнщайн черните дупки са обекти, които пречат на светлината да избяга поради тяхната изключително силна гравитация. Границата на черна дупка е известна като хоризонт на събитията – ако преминете отвъд този праг, никога няма да излезете. Относителността също така предсказва, че центровете на черните дупки са точки с безкрайно висока плътност, известни като сингулярности. Наличието на сингулярности означава, че самите уравнения се разпадат; в математиката започват да се появяват безкрайности, които предотвратяват по-нататъшни изчисления. Знаем, че общата теория на относителността е непълна. Трябва да има по-фундаментална теория, вероятно свързана с квантовата физика на субатомните мащаби, която може правилно да опише какво се случва в центъра на черна дупка.
Все още нямаме пълна квантова теория на гравитацията, но имаме няколко кандидати. Например, има теория на струните, която предсказва, че всички частици във Вселената всъщност са направени от ултра малки вибриращи струни. Има и примкова квантова гравитация, която казва, че самото пространство-време е направено от малки, неделими парчета като пиксели на компютърен екран.
И двата подхода могат да заменят традиционната сингулярност в центъра на черна дупка с нещо друго. Но когато заместите сингулярността, обикновено елиминирате и хоризонта на събитията. Това е така, защото хоризонтът на събитията е причинен от безкрайното гравитационно привличане на сингулярността. Без сингулярността, гравитационното привличане е просто невероятно силно, но не безкрайно, така че винаги сте в състояние да избягате от близостта на черна дупка, стига да бягате с достатъчна скорост.
В някои варианти на струнната теория сингулярността и хоризонтите на събитията са заменени от преплетени мрежи от заплетени възли на пространство-времето. В примковата квантова гравитация сингулярността се превръща в някакъв изключително малък, изключително плътен къс екзотична материя. В други модели цялата черна дупка е заменена от тънка обвивка от материя или от купчини от нови видове спекулативни частици.
С най-близките известни черни дупки на хиляди светлинни години е трудно да се тестват тези модели. Но понякога черните дупки ни изпращат важна информация, особено когато се сливат заедно. Когато го направят, те освобождават потоци от гравитационни вълни, които са вълни в пространство-времето, които могат да бъдат открити с чувствителни инструменти на Земята като Лазерната интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) и експериментите VIRGO.
Досега всички наблюдения на сливането на черни дупки са в съгласие с модела на черна дупка, предсказан от общата теория на относителността. Но това може да се промени в бъдеще, когато новите поколения обсерватории за гравитационни вълни се появят онлайн, предполага документ, публикуван на 30 ноември в списанието за предпечат arXiv.
Ключът не са гравитационните вълни, излъчвани по време на самото сливане, а тези, излъчвани веднага след това, според документа. Когато сливането приключи и двете черни дупки станат един обект, новата слята маса вибрира с интензивно количество енергия, като ударена камбана. Тази фаза на „звънене“ има отчетлива гравитационна вълна.
Чрез изучаване на тези подписи, изследователите може един ден да са в състояние да кажат кои теории за черните дупки издържат и кои не. Всеки модел на черна дупка предсказва разликите в гравитационните вълни, излъчвани по време на фазата на сливане, които произтичат от разликите във вътрешната структура на черната дупка.
С различни структури на черни дупки излизат различни видове гравитационни вълни. Астрономите се надяват, че следващото поколение детектори за гравитационни вълни ще бъдат достатъчно чувствителни, за да открият тези прогнозирани малки промени в сигнатурата на пръстена. Ако го направят, те радикално ще променят представата ни за черните дупки и ще ни придвижат напред в разплитането на най-дълбоките им мистерии.
