Физики впервые увидели полную судьбу гравитационной волны, от рождения до рассеяния в вечности

Физики из университетов Отаго и Кентербери (Новая Зеландия) провели первую в своём роде симуляцию , в которой гравитационная волна отслеживается на всей её траектории: от возникновения в предельно удалённой точке прошлого до выхода за границу будущего, включая прохождение через искривлённую геометрию чёрной дыры. Исследование опубликовано в Physical Review Letters .

Ранее ни одной численной модели не удавалось охватить всю динамику подобных процессов. Расчёты, как правило, ограничивались локальными областями и не учитывали светоподобные рубежи пространства-времени — так называемую нулевую бесконечность, откуда приходят волны и куда они в итоге уходят. Без учёта пределов нельзя строго определить, как распределяется энергия: сколько сохраняется, а какая доля безвозвратно теряется внутри гравитационного объекта.

Чтобы решить эту задачу, команда применила продвинутый математический подход — обобщённые конформные уравнения поля Фридриха. Они позволяют переносить бесконечно удалённые области в конечную вычислительную сетку, сохраняя физический смысл происходящего. На основе этой формализации был разработан собственный вычислительный инструмент COFFEE — COnFormal Field Equation Evolver.

С его помощью исследователи смоделировали столкновение гравитационных волн различной интенсивности с идеализированной чёрной дырой Шварцшильда. Эта модель отличается строгой симметрией и служит эталоном для аналитических и численных тестов. Впервые удалось получить полную картину взаимодействия: от входа сигнала в систему до его выхода в дальнее будущее.

Оценки показали, что пространство вблизи чёрной дыры обладает выраженной поглощающей способностью. При слабых колебаниях почти 90% энергии не возвращается — остаётся внутри горизонта событий. Даже при сильных возмущениях лишь около пятой части продолжает своё распространение наружу.

Для точной фиксации величин использовались два ключевых параметра из общей теории относительности : энергию Бонди и новости Бонди. Первый характеризует полную энергию, распространяющуюся вдоль светового фронта, второй — факт наличия излучения. Эти параметры позволяют без двусмысленностей оценить баланс между входящей и исходящей волной, а также строго проверить выполнение закона сохранения энергии в искривлённом пространстве.

В рамках эксперимента также наблюдались нелинейные явления: начальный сигнал порождал дополнительные моды за счёт обратного воздействия на геометрию. Это подтверждает, что даже простые волны могут порождать сложные структуры при прохождении через область с сильной кривизной.

Характерным эффектом стала фиксация квазинормальных колебаний — устойчивых затухающих осцилляций, возникающих после взаимодействия волны с чёрной дырой. Эти колебания определяются только параметрами самой дыры и не зависят от формы внешнего воздействия.

Полученные результаты могут быть использованы для расшифровки данных, поступающих с детекторов вроде LIGO и Virgo , которые до сих пор фиксировали лишь сам факт гравитационного события, но не позволяли воссоздать точную структуру прохождения волны. Новая методика обеспечивает фундамент для анализа того, как конкретный сигнал отражает свойства источника и его окрестности.

Авторы отмечают, что в текущей реализации начальная волна задаётся не на самой бесконечной границе, а ближе к её окрестности — что вносит небольшую погрешность. В дальнейшем команда планирует продолжить исследование уже на более сложных конфигурациях: включая вращающиеся чёрные дыры и несимметричные поля.