Кредит за изображение: щат Пен
Учените от щата Пен достигнаха нов крайъгълен камък в усилията си да моделират две орбитни черни дупки, събитие, което се очаква да породи силни гравитационни вълни. „Открихме начин за моделиране числено, за първи път, една орбита от две вдъхновяващи черни дупки“, казва Бернд Брюгман, доцент по физика и изследовател в Института за гравитационна физика и геометрия на държавата на Пен. Изследванията на Bruegmann са част от световното стремеж да улови първата гравитационна вълна в акта на преобръщане на Земята.
Доклад, описващ тези симулации, ще бъде публикуван в броя на 28 май 2004 г. на списанието Physical Review Letters. Документът е автор на Bruegmann и двама докторанти в неговата група в Penn State, Нина Янсен и Волфганг Тихи.
Черните дупки са описани от теорията на Айнщайн за обща относителност, която дава много точно описание на гравитационното взаимодействие. Уравненията на Айнщайн обаче са сложни и трудно известни дори в цифри. Освен това черните дупки създават свои собствени проблеми. Вътре във всяка черна дупка дебне това, което е известно като сингулярност на пространство-време. Всеки обект, който се приближи твърде близо, ще бъде изтеглен до центъра на черната дупка, без шанс да избяга отново, и той ще изпита огромни гравитационни сили, които го разкъсат.
„Когато моделираме тези екстремни условия на компютъра, установяваме, че черните дупки искат да погълнат и да разкъсат числовата мрежа от точки, които използваме за приближаване на черните дупки“, казва Bruegmann. "Една черна дупка вече е трудна за моделиране, но две черни дупки в последните етапи на тяхното вдъхновение са значително по-трудни поради силно нелинейната динамика на теорията на Айнщайн." Компютърните симулации на двоични файлове с черни дупки са склонни да станат нестабилни и да се сринат след ограничено време, което беше значително по-кратко от времето, необходимо за една орбита.
„Техниката, която сме разработили, се основава на решетка, която се движи заедно с черните дупки, минимизирайки тяхното движение и изкривяване и ни купува достатъчно време, за да завършим една спирална орбита един около друг, преди компютърната симулация да се срине“, казва Bruegmann. Той предлага аналогия за илюстриране на стратегията за „движеща се мрежа“: „Ако стоите извън въртележка и искате да гледате един човек, трябва да продължите да движите главата си, за да продължите да го наблюдавате, докато той кръжи. Но ако стоите на въртележка, трябва да погледнете само в една посока, защото този човек вече не се движи спрямо вас, въпреки че и двамата се движите в кръг. "
Изграждането на една движеща се мрежа е важно нововъведение в работата на Bruegmann. Макар да не е нова идея за физиците, предизвикателство е да се накара да работи с две черни дупки. Изследователите също така добавиха механизъм за обратна връзка, за да направят корекции динамично с развитието на черните дупки. Резултатът е сложна схема, която всъщност работи за две черни дупки за около една орбита на спиралното движение.
„Докато моделирането на взаимодействията между черната дупка и гравитационните вълни е много труден проект, резултатът на професор Bruegmann дава добра представа за това как най-накрая можем да успеем в това усилие за симулация“, казва Ричард Мацнер, професор от Тексаския университет в Остин и главен изследовател на бившата алианса Grand Challenge на National Science Foundation, която положи голяма част от основата на числеността на относителността през 90-те.
Абхай Аштекар, професор по физика Еберли и директор на Института по гравитационна физика и геометрия, добавя: „Неотдавнашната симулация на групата на проф. Брюгман е забележителна, тъй като отваря вратата за извършване на числен анализ на различни сблъсъци с черни дупки, които са сред най-интересните събития за гравитационната вълнова астрономия. "
Това изследване беше финансирано от безвъзмездни средства от Националната научна фондация, включително един от Граничния център за физика на гравитационните вълни, създаден от Националната научна фондация в Пенския държавен институт за гравитационна физика и геометрия.
Оригинален източник: Пенсионно издание на държавата
