Есть ли в недавнем открытии LIGO высокие частоты звонка?

После бинарного слияния образовавшаяся черная дыра испытает кольцевой спад. Ringdown характеризуется спектром квазинормальных мод (QNM), которые, согласно ОТО (в частности, теории возмущений черных дыр), зависят только от конечной массы черной дыры, углового момента и заряда. Фактически это теорема об отсутствии волос .

QNM — это колебания, которые затухают. Обычные старые нормальные режимы не распадаются.

Какие КНМ возбуждаются, зависит от деталей возмущения черной дыры. Это похоже на QNM в музыкальном инструменте. Тембр, который вы слышите, когда дергаете гитарную струну, зависит от того, где вы физически щипаете струну. Защипывание в середине приведет к басовому тону, а защипывание по краям - к дискантовому тону. Во всех случаях доминирующий режим является основным для этой строки.

В отличие от музыкальных обертонов, которые характеризуются одним индексом. КНМ черных дыр относятся к сферическим гармоникам и характеризуются двумя индексами$\ell$и$m$. Основная мода – квадрупольная.$\ell=m=2$.

Спектр возбуждения режимов затухания ЧД зависит от спинов и масс двух объектов. Из-за нелинейного характера задачи двух тел в ОТО не существует простого метода предсказания того, насколько сильно будет возбуждена одна мода в целом. Есть несколько приближений, которые работают в особых случаях. Очень простая модель предполагает невращающиеся исходные черные дыры, поэтому спектр возбуждения является функцией отношения масс черных дыр,$q$.

$$q = \frac{M_a}{M_b}\ge 1, \,\,\, i.e. \,\, M_a \ge M_b$$

Для равномассовых слияний$q=1$, почти все возбуждение находится в основной моде. По мере увеличения отношения масс возникает все больше и больше возбуждений в модах более высокого порядка. Хотя полная энергия возбуждения уменьшается. Большое отношение масс означает, что маленькая черная дыра падает в большую, так что это не сильно возмущает ее.

Два детектора LIGO GW150914 и GW151226 находятся в режиме низкого отношения масс. Таким образом, очень мало энергии излучается на модах более высокого порядка.

Камарецос и др. использовали метод без вращения, чтобы определить относительную амплитуду между модами для различных соотношений масс с помощью численного моделирования. Например, они обнаружили, что для$q=2$основная мода (2,2) имеет около 73% полной энергии. У следующего наиболее возбужденного (3,3) было около 12%. Затем идет (2,1) примерно с 9% и (4,4) примерно с 2%...

Первое обнаружение LIGO, GW150914 , было очень близко к$q=1$. Более позднее обнаружение LIGO, GW151226 , ближе к$q=2$. В любом случае никто не ожидал обнаружить режимы звонка более высокого порядка.

Это уже давно является активной областью исследований. Если вам интересно копнуть глубже, вы можете проверить:

• Берти и др. (2007)
• Госсан, Вейч и Сатьяпракаш (2011)
• Берти и др. (2016)