Гравитационный «танец» двух черных дыр раскрывает неожиданную математическую структуру

Международная команда астрономов создала наиболее точную на сегодняшний день модель гравитационных волн, возникающих при столкновении двух черных дыр. Неожиданно расчеты выявили появление геометрических структур, известных физикам из теории струн, что открывает новый взгляд на математические инструменты, используемые для описания астрофизических явлений.

Вскоре после формулировки общей теории относительности Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн — излучения, возникающего при деформации пространства-времени под воздействием массивных объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды. Подобно тому, как ускоренные электрические заряды создают электромагнитное поле, движущиеся массы порождают гравитационные волны.

Понадобилось почти столетие, чтобы подтвердить эту гипотезу. В 2015 году первое прямое обнаружение гравитационных волн от слияния черных дыр и нейтронных звезд подтвердило предсказание Эйнштейна. С тех пор с помощью передовых инструментов, таких как детекторы LIGO, KAGRA и Virgo, было зафиксировано более сотни подобных событий.

Для интерпретации этих сигналов исследователи используют сложные модели, создаваемые суперкомпьютерами. Этот процесс заключается в постепенном уточнении множественных физических взаимодействий для достижения достаточной точности. Однако этот метод, несмотря на свою эффективность, остается медленным, требует значительных вычислительных ресурсов и имеет определенные ограничения по точности. При этом для обработки данных, собранных детекторами, необходимы десятки миллионов форм гравитационных волн.

Группа ученых под совместным руководством Университета Гумбольдта в Берлине (HU, Германия) смогла разработать модель беспрецедентной точности, описывающую взаимодействие двух черных дыр, благодаря нестандартному подходу. Вместо того чтобы сосредоточиться на их слиянии — традиционном сценарии в этой области исследований — ученые изучили их рассеяние, то есть гравитационное взаимодействие, возникающее, когда черные дыры сближаются настолько, что их траектории отклоняются, но слияния не происходит.

«Хотя физический процесс гравитационного взаимодействия и рассеяния двух черных дыр концептуально прост, его математическое описание требует исключительной точности», — поясняет в заявлении HU Ян Плефка, руководитель рабочей группы «Квантовая теория поля и струн» в Институте физики Университета Гумбольдта и соавтор исследования.

Беспрецедентный уровень точности

События рассеяния происходят, когда две черные дыры, притягиваемые гравитацией, движутся по спиральной траектории вокруг друг друга, отклоняясь от первоначального пути без столкновения. Этот «балет» непрерывно генерирует гравитационные волны, которые команда смоделировала с помощью передовых математических и вычислительных методов.

Для этого Плефка и его коллеги использовали инструменты квантовой теории поля — дисциплины, обычно применяемой для изучения взаимодействий элементарных частиц. Такой подход позволил вычислить наблюдаемые величины, такие как угол рассеяния, степень отклонения и энергия, излучаемая в виде гравитационных волн. Все расчеты потребовали более 300 000 часов обработки на высокопроизводительных компьютерах.

Согласно результатам, опубликованным в журнале Nature, модель достигла «пятого порядка пост-Минковского» — наивысшего уровня точности из когда-либо полученных для подобного типа гравитационного взаимодействия. Примечательно, что расчеты выявили возникновение пространств Калаби-Яу — сложных шестимерных геометрических структур, известных своей ключевой ролью в теории струн, которая пытается объединить квантовую механику с общей теорией относительности Эйнштейна.

До сих пор пространства Калаби-Яу считались чисто математическими конструкциями, не связанными напрямую с наблюдаемыми явлениями во Вселенной. Однако их появление в моделях позволяет предположить, что они могут играть ключевую роль в физическом описании некоторых астрофизических событий.

Как отметил Бенджамин Зауэр, аспирант Гумбольдтского университета и соавтор публикации: «Неожиданное возникновение геометрий Калаби-Яу углубляет наше понимание взаимосвязи математики и физики. Эти открытия помогут сформировать будущее гравитационно-волновой астрономии, улучшая модели, которые мы используем для интерпретации наблюдательных данных».

Другими словами, эта работа позволит значительно усовершенствовать будущие теоретические модели, особенно в свете того, что такие обсерватории, как LIGO, вскоре достигнут беспрецедентной чувствительности в обнаружении гравитационных волн. Полученные результаты также могут обогатить симуляции, разрабатываемые на основе данных будущей европейской обсерватории Einstein Telescope, которая, как ожидается, позволит впервые напрямую измерить эффекты рассеяния.

«Повышение точности необходимо, чтобы соответствовать ожидаемому уровню детализации этих детекторов», — пояснил в интервью Space.com Густав Могулл, исследователь из Лондонского университета Королевы Марии и участник исследования. Эта повышенная точность будет иметь решающее значение для обнаружения сигналов от черных дыр, движущихся по сильно вытянутым орбитам со скоростями, близкими к скорости света — экстремальный режим, бросающий вызов традиционным теориям об этих космических объектах.