Хвилеві явища в чорних дірках можна вивчати, спостерігаючи за витікаючою з резервуара водою.
Як це не дивно, але деякі хвилеві явища, що відбуваються в чорних дірах, можна змоделювати в лабораторії. Завдяки своєрідній аналогії між процесами, характерними для чорних дір, і гідродинамічними процесами воді з'являється схожість поширення хвиль в обох випадках. Така можливість розглядається в новій статті, опублікованій в журналі Physical Review Letters дослідниками з Бразилії та Великобританії.
У 1981 році канадський фізик Вільям Унру виявив, що з деякими спрощеннями рівняння, які описують поширення хвилі в околиці чорної діри, ідентичні рівнянням, які описують поширення хвилі у воді, що випливає за стоком з резервуара. Скориставшись цією ідеєю, учасники проекту «Фізика і геометрія простору-часу» провели теоретичне дослідження і попередні експерименти. У деяких відносинах досліджуване ними явище схоже на процеси в реальній астрофізичній чорній дірі, яка виникла в результаті злиття двох чорних дір і генерує гравітаційні хвилі.
Для моделювання чорної діри використовувався великий резервуар для води розміром 3 на 1,5 метра. Вода витікає з нього через центральний злив і закачується назад, так що система знаходиться в рівновазі: приплив води дорівнює її відтоку.
Створювані на поверхні води хвилі захоплюються потоком води, який прискорюється при наближенні до стоку. Далеко від стоку швидкість хвилі набагато вище швидкості рідини, тому хвилі можуть поширюватися в будь-якому напрямку. Однак поблизу стоку все інакше. Швидкість витікаючої рідини там стає набагато більше швидкості хвиль, тому потік води затягує хвилі, навіть коли вони поширюються в протилежному напрямку. Саме так чорна діра може бути змодельована в лабораторії.
У справжній астрофізичній чорній дірі її гравітаційне тяжіння захоплює речовину і перешкоджає виходу хвиль будь-якого роду, в тому числі світлових. У гідродинамічній моделі хвилі на поверхні рідини не можуть виходити з утвореного вихору. Аналіз цих хвиль показує такі властивості чорної діри, як її момент імпульсу і маса.
Особливість цього дослідження - врахування вихорового руху води при стоці, що ігнорується зазвичай використовуваними більш простими моделями. Побачити простий вихор або вир можна при витіканні води з домашньої ванни. Там добре видно, як утворюється вирва з обертової води. У дослідженні розглядається більш складна картина обертання окремих областей рухомої рідини. Якщо завихреність дорівнює нулю, ці області просто переносяться рідиною. Однак, якщо завихреність не дорівнює нулю, вони не тільки супроводжують потік, але і обертаються навколо свого центру мас.
У простіших моделях зазвичай передбачається, що завихреність рідини дорівнює нулю. Це хороше наближення для областей, розташованих далеко від основного вихору в стоці. Однак поблизу стоку завихреність стає важливою.
Справжня чорна діра генерує затухаючі гравітаційні хвилі з певними частотами. Їх називають квазінормальними модами (нормальними вони б були за відсутності загасання). Аналогічні коливання можна спостерігати на виведеній з рівноваги поверхні води в домашній ванні. Автори роботи досліджували як завихреність впливає на загасання цих хвиль під час поширення. Вони виявили, що деякі коливання в околиці стоку загасали дуже повільно або, іншими словами, залишалися активними протягом тривалого часу. Такі коливання відомі як квазісвязані стани. Теорія передбачала їх існування, але попередні дослідження їх упускали з уваги.
Можливо, в майбутньому детектори гравітаційних хвиль досягнуть такої чутливості, що зможуть реєструвати такі коливання і витягувати з них характеристики чорних дір.
За матеріалами офіційного сайту FAPESP