Изображение предоставлено: Penn State
Ученые из штата Пенн достигли нового рубежа в попытке смоделировать две орбитальные черные дыры - событие, которое, как ожидается, породит сильные гравитационные волны. «Мы впервые нашли способ численного моделирования одной орбиты двух вдохновляющих черных дыр», - говорит Бернд Брейгманн, доцент физики и научный сотрудник Института гравитационной физики и геометрии штата Пенсильвания. Исследования Брейгманна являются частью всемирного стремления поймать первую гравитационную волну в процессе катания по Земле.
Документ с описанием этих симуляций будет опубликован в выпуске журнала Physical Review Letters от 28 мая 2004 года. Автором статьи являются Брейгманн и два постдокторанта из его группы в штате Пенсильвания, Нина Янсен и Вольфганг Тихи.
Черные дыры описываются теорией относительности Эйнштейна, которая дает очень точное описание гравитационного взаимодействия. Однако уравнения Эйнштейна сложны и общеизвестно трудны для решения даже численно. Кроме того, черные дыры создают свои собственные проблемы. Внутри каждой черной дыры скрывается то, что известно как сингулярность пространства-времени. Любой объект, находящийся слишком близко, будет вытянут в центр черной дыры, и у него снова не будет шанса убежать, и он будет испытывать огромные гравитационные силы, которые разрывают его на части.
«Когда мы моделируем эти экстремальные условия на компьютере, мы обнаруживаем, что черные дыры хотят поглотить и разорвать числовую сетку точек, которую мы используем для аппроксимации черных дыр», - говорит Брейгманн. «Одную черную дыру уже трудно смоделировать, но две черные дыры на последних этапах своего вдохновения намного сложнее из-за крайне нелинейной динамики теории Эйнштейна». Компьютерное моделирование двоичных файлов черных дыр имеет тенденцию к нестабильности и падению после конечного времени, которое раньше было значительно короче, чем время, необходимое для одной орбиты.
«Технология, которую мы разработали, основана на сетке, которая движется вместе с черными дырами, сводя к минимуму их движение и искажения, и дает нам достаточно времени, чтобы они завершили одну спиральную орбиту вокруг друг друга, прежде чем компьютерная симуляция потерпит крах», - говорит Брейгманн. Он предлагает аналогию, чтобы проиллюстрировать стратегию «движущейся сетки»: «Если вы стоите вне карусели и хотите наблюдать за одним человеком, вы должны продолжать двигать головой, чтобы продолжать наблюдать за ним, пока он кружит. Но если вы стоите на карусели, вы должны смотреть только в одном направлении, потому что этот человек больше не движется относительно вас, хотя вы оба ходите кругами ».
Построение сдвижной решетки является важным новшеством в работе Брейгманна. Хотя это не новая идея для физиков, задача состоит в том, чтобы заставить ее работать с двумя черными дырами. Исследователи также добавили механизм обратной связи для динамической корректировки по мере развития черных дыр. В результате получается сложная схема, которая фактически работает для двух черных дыр примерно на одной орбите спирального движения.
«Хотя моделирование взаимодействий черных дыр и гравитационных волн является очень сложным проектом, результаты профессора Брейгмана дают хорошее представление о том, как мы, наконец, можем добиться успеха в этом процессе моделирования», - говорит Ричард Мацнер, профессор Техасского университета в Остине и главный исследователь Бывший альянс Grand Challenge Национального научного фонда, который в 90-х годах заложил основу для численной теории относительности.
Абхай Аштекар, профессор физики Eberly и директор Института гравитационной физики и геометрии, добавляет: «Недавнее моделирование группы профессора Брейгманна является вехой, поскольку оно открывает двери для проведения численного анализа различных столкновений черных дыр, которые относятся к числу самые интересные события для гравитационно-волновой астрономии ».
Это исследование финансировалось за счет грантов Национального научного фонда, в том числе гранта Пограничного центра по физике гравитационных волн, созданного Национальным научным фондом в Государственном институте гравитационной физики и геометрии им. Пенна.
Первоначальный источник: пресс-релиз Penn State
