Черные дыры превратили в музыкальный инструмент

Астрофизики создали программное обеспечение для того, чтобы превратить гравитационные волны от слияния черных дыр в музыку. Так как гравитационный сигнал намного сложнее звукового, то его можно превращать сразу в аккорды, поэтому авторы сравнивают свою систему с карильоном — музыкальным инструментом из набора колоколов и рычагов, при нажатии на которые издается сразу несколько звуков. Препринт статьи опубликован на сайте arXiv.org, программа выложена в репозиторий GitHub.

Развитие астрофизических инструментов позволило в последние годы зарегистрировать гравитационные волны от слияния черных дыр и даже один раз от слияния нейтронных звезд. Такие волны можно сравнить со звуком, причем если последний распространяет в воздухе или конденсированной среде, то гравитационные волны — это колебания самого пространства-времени и намного более сложны по своей природе. Несмотря на колоссальные масштабы, массы и энергии сливающихся черных дыр, частоты порождаемых ими волн находились бы в слышимом человеком диапазоне, если бы были звуком. Для этого также нужно было бы их значительно усилить, ведь амплитуда возмущений метрики пространства-времени чрезвычайно мала.

В новой работе астрофизики предлагают способ, который позволит отображать волны с различными параметрами на 88 частот, характерных для пианино. Они сравнивают это с карильоном, в котором управление каждым колоколом через систему рычагов переводится на специальную клавиатуру. «Звон» черных дыр в существенной степени определяется двумя параметрами: массой и угловой скоростью вращения. Первая величина определяет основной тон, а вторая — добротность, то есть скорость затухания звука после возбуждения черной дыры. Сами возбуждения черных дыр представляются в виде сферических гармоник — двумерных полиномов на сфере. Так как теория колебаний горизонта событий сложна, то подходящие формулы получены только для начальных мод. В своей работе авторы рассматривают колебания до пятой гармоники и до второго обертона.

В результате астрономы смогли сымитировать звук «типичного церковного колокола хорошего качества», пять главных гармоник которого должны находится в соотношении 1 : 2 : 2^15/12 : 2^19/12 : 4. Оказывается, что черная дыра с параметром вращения больше 0,9999999 может звучать как такой колокол с точностью не хуже процента. То же самое удается сделать для звука барабана, для которого частоты должны соотноситься как 1 : 1,59 : 2,14 : 2,30 : 2,65, хотя в этом случае соответствие и получилось менее точным. Авторы, однако, отмечают, что это не единственные условия, которым должен удовлетворять инструмент, но в рамках этой работы они других не рассматривают.

Полноценный «инструмент» на основе черных дыр авторы получили, записав звук 88 колоколов различных тонов, соответствующих набору нот как у стандартного пианино. Полученный звук несколько отличался от звука настоящего колокола, потому что у металлического инструмента сперва затухают высокие гармоники, а основной тон длится дольше, однако черные дыры звучат иначе. Авторы обращают внимание на большое количество упрощений, сделанных в этой работе, что оставляет возможность исследовать эту тему в дальнейшем. В частности, при помощи черных дыр можно получать звуки с соотношением частот, которые не соответствуют никаким реальным инструментам, а также попытаться сымитировать звуки конкретных инструментов, а не идеальных, для чего необходимо рассматривать больше гармоник и обертонов.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.