«Ограничение скорости» черной дыры намекает на новые законы физики

Исследователи определили новый предел скорости для самых экстремальных столкновений во Вселенной. Согласно новому исследованию, «максимально возможная скорость отдачи» сталкивающихся черных дыр превышает колоссальные 63 миллиона миль в час (102 миллиона км/ч) — примерно одну десятую скорости света.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, этот пик возникает, когда условия столкновения достигают переломного момента между двумя черными дырами, которые либо сливаются вместе, либо рассеиваются по мере сближения друг с другом.

Далее исследователи надеются математически доказать, что эта скорость не может быть превышена, используя уравнения Эйнштейна общей теории относительности, что потенциально может повлиять на фундаментальные законы физики.

«Мы лишь прикасаемся к чему-то, что могло бы быть более универсальным описанием», — рассказал соавтор исследования Карлос Лусто, профессор математики и статистики в Рочестерском технологическом институте (RIT) в Нью-Йорке.

Это недавно обнаруженное ограничение скорости может быть частью более широкого набора физических законов, которые влияют на все «от самых маленьких до самых больших объектов во Вселенной», сказал Лусто.

Землетрясения в ткани пространства-времени

Когда две черные дыры проходят близко друг к другу, они либо сливаются, либо поворачиваются вокруг общего центра масс, прежде чем разлететься. Разлетаются ли черные дыры друг в друга или сливаются по спирали, зависит от их разделения в точке наибольшего сближения.

Чтобы определить максимально возможную скорость отдачи разлетающихся черных дыр, Лусто и соавтор исследования Джеймс Хили, научный сотрудник Школы математики и статистики RIT, использовали суперкомпьютеры для проведения численного моделирования. Эти расчеты прошли через уравнения общей теории относительности, описывающие, как будут развиваться две взаимодействующие черные дыры.

Лусто объяснил, что, хотя люди начали пытаться решить эти уравнения численно более 50 лет назад, численные методы прогнозирования размера гравитационных волн в результате таких столкновений не были разработаны до 2005 года — всего за 10 лет до того, как сами гравитационные волны были впервые обнаружены с помощью Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (ЛИГО).

С тех пор LIGO наблюдал почти 100 столкновений черных дыр. Сравнение данных одного такого столкновения с данными численной теории относительности выявило «эксцентричную» или эллиптическую траекторию черной дыры. Раньше ученые думали, что черные дыры, сближающиеся друг с другом, будут двигаться по спирали друг к другу по почти круговым орбитам, сказал Лусто.

Открытие эллиптических орбит расширило диапазон возможных столкновений и побудило их искать экстремальные сценарии столкновений. «Мы хотели как бы расширить границы этих столкновений», — сказал Лусто. Лусто и Хили рассмотрели, как корректировка четырех параметров повлияла на результат гравитационного взаимодействия между двумя черными дырами: начальный импульс черных дыр, расстояние между ними в точке наибольшего сближения, ориентацию любого вращения черной дыры вокруг нее. его собственная ось и величина этого вращения.

Проведя 1381 моделирование, каждое из которых занимало две-три недели, исследователи обнаружили пик возможных скоростей отдачи для черных дыр с противоположными спинами, проходящим мимо друг друга.

В то время как черные дыры излучают гравитационное излучение во всех направлениях, противоположные вращения искажают это излучение, создавая тягу, которая увеличивает скорость отдачи.

«Отдача черных дыр после их слияния является важной частью их взаимодействия», — рассказал Live Science по электронной почте Имре Бартос, доцент кафедры физики Университета Флориды. (Бартос не участвовал в новом исследовании).

Это взаимодействие особенно важно для мест во Вселенной с высокой плотностью черных дыр, поскольку сильные отдачи могут полностью вытеснить остатки черной дыры из этой области.

«Как и в случае с любой предельной теоретической величиной, будет интересно посмотреть, превысит ли природа эту величину в какой-то ситуации, которая может сигнализировать об отклонениях от нашего понимания того, как работают черные дыры», — добавил Бартос.

Новая фундаментальная физика

По словам Лусто, «переломный момент», определяющий, сольются или отскочат две сталкивающиеся черные дыры, зависит от некоторой изменчивости орбит черных дыр. Из-за этого Лусто сравнивает это взаимодействие с плавным фазовым переходом, подобным фазовым переходам второго рода магнетизма и сверхпроводимости, в отличие, например, от взрывных фазовых переходов первого рода нагретой воды, где конечное количество скрытой теплоты впитается до того, как все закипит.

Исследователи также заметили, что может напоминать масштабные коэффициенты, характерные для этих фазовых переходов, хотя для их окончательной идентификации необходимы дальнейшие симуляции с высоким разрешением. Тем не менее, эти аспекты результатов намекают на возможность существования «всеобъемлющего принципа», который применим в масштабах от атомов до сталкивающихся черных дыр, сказал Лусто.

Более того, хотя объединение двух основных столпов фундаментальной физики — общей теории относительности для гравитации и квантовой теории для других фундаментальных сил — остаётся неуловимым, описания чёрных дыр тесно связаны с несколькими теориями, которые открыли бреши в барьерах между ними. . «Это далеко не строгое доказательство», — сказал Лусто.

«Но есть линия, которая заслуживает дальнейшего исследования, и, возможно, кто-то другой или мы сами сможем что-то сделать».