Хар нүхний нэгдлийн үеийн таталцлын долгионыг судалснаар ерөнхий харьцангуйн онолын “үсгүй” байх таамаглал зөрчигдөж байгаа эсэхийг тогтоох боломжтой болжээ.
Хар нүхний бүтэц нь онолын хувьд маш энгийн бөгөөд зөвхөн масс, эргэлт, цахилгаан цэнэг гэсэн гурван үзүүлэлтээс хамаардаг гэж үздэг. Физикч Жон Уилерийн дэвшүүлсэн “үсгүй байх” теоремд хар нүхний үйл явдлын хаяа нь ямар нэгэн өвөрмөц шинж тэмдэггүй байдаг тул хар нүхэнд “үс” байхгүй гэж үздэг. Гэсэн хэдий ч энэ нь ерөнхий харьцангуйн онолоор тогтвортой төлөвт байгаа хар нүхэнд л хамаатай бөгөөд нэгдэж буй хар нүхний хувьд асуудал илүү төвөгтэй болдог.
Нагояагийн их сургуулийн судлаач Ариадна Уксуэ Паломино Илла болон түүний баг хар нүхний стандарт загварыг Хэйворд болон Бардины загваруудтай харьцуулан судалжээ. Хэйворд хар нүх нь сингуляр цэггүй, Бардины хар нүх нь цахилгаан соронзон бүтэц бүхий “үс”-тэй байх боломжтой гэж үздэг. Судлаачид эдгээр загварын хар нүхнүүд нэгдэх үед үүсэх таталцлын долгионы “рингдаун” буюу сулрах үеийн давтамж болон задралын хурд нь стандарт загвараас ялгаатай байдгийг тогтоосон байна.
Энэхүү судалгаа нь хар нүхний үйл явдлын хаяа орчмын орон зай, цаг хугацааны бүтцийг таталцлын долгионоор дамжуулан судлах боломжийг нээж өгч байна. Хар нүх нь онолын дагуу хоосон орон зай мөн эсэх, эсвэл квант хэлбэлзэл нөлөөлдөг эсэхийг таталцлын долгионы өвөрмөц шинж тэмдгээр илрүүлэх боломжтой аж.
Одоогийн таталцлын долгион илрүүлэгч багажууд эдгээр ялгааг нарийвчлан тогтооход хангалттай мэдрэмтгий биш байгаа юм. Гэсэн хэдий ч ирээдүйд илүү дэвшилтэт технологийн тусламжтайгаар хар нүхний нэгдэл нь зөвхөн масс, эргэлтээс гадна илүү гүн гүнзгий мэдээллийг агуулж байгааг тайлах боломжтой болно.
Дэлгэрэнгүйг эх сурвалжаас харах
Эх сурвалжийг нээх ↓
In theory, the structure of a black hole is amazingly simple. It depends on only three things: mass, rotation, and electric charge. All you’ve got to do is compress objects down tightly enough for the black hole to form. Radioactive waste, old tax returns, a massive cloud of helium, you name it. Compress it into a black hole, and all the information and atomic structure become irrelevant. A black hole is just that simple. At least according to the no-hair theorem. Now a new study finds that if real black holes violate the no-hair theorem, it will be seen in the gravitational waves of their mergers.
The no-hair theorem gets its name from John Wheeler, who contrasted it to the mathematical hairy ball theorem about how to cover a sphere with particular features. Since a black hole’s event horizon has no unique features, Wheeler argued, then “black holes have no hair.” But the no-hair theorem hasn’t been proven in general. We know that any steady-state black hole is hairless according to general relativity, but things get fuzzy when talking about merging black holes. Hence, this new research.
A comparison of different black hole models shows that their ringdown frequencies differ. Credit: Ariadna Uxue Palomino Ylla, Nagoya University
Since classical black holes are hairless, the authors compare the standard model to a few variant models. One of these is known as a Hayward black hole. This model was first proposed by Sean Hayward as a way to remove singularities from the black hole equations. It follows general relativity but assumes that somehow matter reaches a non-singular quantum state. And since Hayward black holes don’t have a strict singularity, they also don’t have a strict event horizon. The no-hair theorem doesn’t apply to them.
Another model the authors consider is known as the Bardeen black hole. James Bardeen is most well-known for his work on the laws of black hole thermodynamics. If black holes radiate as Stephen Hawking predicts, then they obey the laws of thermodynamics. A Bardeen black hole is one with an electromagnetic structure to its radiation and thus has hair.
The team computed what would happen if a pair of Hayward black holes merged and if a pair of Bardeen black holes merged, then compared them to the mergers of standard black holes. They found that each model has a unique signature to their ringdowns. Both the ringdown frequency and rate of decay are different for each model. They also demonstrated how the ringdown can be used to probe the structure of spacetime in the horizon regions of the black hole. Are they truly vacuums as GR predicts, or do quantum fluctuations come into play?
Current gravitational wave observatories aren’t sensitive enough to detect these differences, but they could be revealed as we develop new tools. It’s clear that black hole mergers have a great deal more to tell us than the mass, rotation, and charges of the merging black holes.
Reference: Palomino Ylla, Ariadna Uxue, et al. “Ringdown waves from hairy black holes.” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2026.09 (2026): 046.
