Волновые явления в черных дырах можно изучать, наблюдая за вытекающей из резервуара водой.

Как это ни удивительно, но некоторые волновые явления, происходящие в черных дырах, можно смоделировать в лаборатории. Благодаря своеобразной аналогии между процессами, характерными для черных дыр, и гидродинамическими процессами в вытекающей из резервуара воде появляется сходство распространения волн в обоих случаях. Такая возможность рассматривается в новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters исследователями из Бразилии и Великобритании.

В 1981 году канадский физик Уильям Унру обнаружил, что с некоторыми упрощениями уравнения, которые описывают распространение волны в окрестности черной дыры, идентичны уравнениям, которые описывают распространение волны в воде, вытекающей по стоку из резервуара. Воспользовавшись этой идеей, участники проекта «Физика и геометрия пространства-времени» провели теоретическое исследование и предварительные эксперименты. В некоторых отношениях изучаемое ими явление похоже на процессы в реальной астрофизической черной дыре, которая возникла в результате слияния двух черных дыр и генерирует гравитационные волны.

Для моделирования черной дыры использовался большой резервуар для воды размером 3 на 1,5 метра. Вода вытекает из него через центральный слив и закачивается обратно, так что система находится в равновесии: приток воды равен её оттоку.

Создаваемые на поверхности воды волны увлекаются потоком воды, который ускоряется при приближении к стоку. Вдали от стока скорость волны намного выше скорости жидкости, поэтому волны могут распространяться в любом направлении. Однако вблизи стока всё иначе. Скорость вытекающей жидкости там становится намного больше скорости волн, поэтому поток воды затягивает волны, даже когда они распространяются в противоположном направлении. Именно так черная дыра может быть смоделирована в лаборатории.

В настоящей астрофизической черной дыре ее гравитационное притяжение захватывает вещество и препятствует выходу волн любого рода, в том числе световых. В гидродинамической модели волны на поверхности жидкости не могут выходить из образующегося вихря. Анализ этих волн показывает такие свойства черной дыры, как ее момент импульса и масса.

Особенность данного исследования – учёт вихревого движения воды при стоке, что игнорируется обычно используемыми более простыми моделями. Увидеть простой вихрь или водоворот можно при вытекании воды из домашней ванны. Там хорошо видно, как образуется воронка из вращающейся воды. В исследовании рассматривается более сложная картина вращения отдельных областей движущейся жидкости. Если завихренность равна нулю, эти области просто переносятся жидкостью. Однако, если завихренность не равна нулю, они не только сопровождают поток, но и вращаются вокруг своего центра масс.

В более простых моделях обычно предполагается, что завихренность жидкости равна нулю. Это хорошее приближение для областей, расположенных вдалеке от основного вихря в стоке. Однако вблизи стока завихренность становится важной.

Настоящая черная дыра генерирует постепенно затухающие гравитационные волны с определенными частотами. Их называют квазинормальными модами (нормальными они бы были при отсутствии затухания). Аналогичные колебания можно наблюдать на выведенной из равновесия поверхности воды в домашней ванне. Авторы работы исследовали как завихренность влияет на затухание этих волн во время распространения. Они обнаружили, что некоторые колебания в окрестности стока затухали очень медленно или, другими словами, оставались активными в течение длительного времени. Такие колебания известны как квазисвязанные состояния. Теория предсказывала их существование, но предыдущие исследования их упускали из виду.

Возможно, в будущем детекторы гравитационных волн достигнут такой чувствительности, что смогут регистрировать такие колебания и извлекать из них характеристики чёрных дыр.