Астрофизика

В 100 раз более точное моделирование гравитационных волн от слияния черных дыр


Черные дыры, космические объекты, которые до сих пор во многом не поняты, завораживают как новичков, так и специалистов. Две группы исследователей одновременно работают над одним и тем же вопросом: гравитационные волны, возникающие при слиянии черных дыр. Их исследования, которые должны быстро привести к моделированию гравитационных волн, в 100 раз более точному, чем используемые в настоящее время, могут обеспечить лучшее понимание этого впечатляющего явления.

Слияние двух черных дыр - это чрезвычайно бурное событие, которое создает гравитационные волны. Две группы ученых из Калифорнийского технологического института и Университета Джона Хопкинса пришли к аналогичному выводу, изучая именно это явление. Эти гравитационные волны, которые долгое время считались "линейными", на самом деле распространяются в пространстве частично нелинейным образом. Эта информация позволила им построить новые модели, которые могут оказаться бесценными для изучения черных дыр. Их исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Напомним, что черная дыра - это компактный объект с гравитационным полем такой интенсивности, что ни материя, ни излучение не могут его покинуть. Поэтому ее можно наблюдать только косвенно, за что она и получила свое загадочное прозвище. Существует несколько типов черных дыр и различные причины их образования - не все из них до конца понятны.

Также могут возникнуть обстоятельства, при которых две черные дыры сливаются: опять же, причин может быть несколько, но Сильвен Шати, профессор и астрофизик из CEA, в своей статье так описывает наиболее распространенную ситуацию: "Две звезды, часто массивные, рождаются в одном межзвездном облаке. В течение своей жизни они обмениваются веществом, а затем, наконец, коллапсируют одна за другой во время двух сверхновых, образуя таким образом пару черных дыр. Затем эта пара продолжает неумолимо двигаться навстречу друг другу в течение нескольких миллиардов лет, прежде чем окончательно слиться".

Фрагмент из численного моделирования слияния двух черных дыр. Пара черных дыр на орбите вокруг друг друга теряет энергию в виде гравитационных волн. Две звезды медленно приближаются друг к другу, и это явление может длиться миллиарды лет, прежде чем резко ускориться. За доли секунды две черные дыры сталкиваются на скорости в половину скорости света и сливаются в одну черную дыру. Эта черная дыра легче, чем сумма двух исходных черных дыр, потому что часть их массы (в данном случае эквивалент 8 солнц, то есть колоссальное количество энергии) была преобразована в гравитационные волны в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E=mc2. Именно этот всплеск гравитационных волн и наблюдали два детектора Ligo (в США) и Virgo (в Италии). По мере прохождения эти волны расширяют и сжимают пространство-время. Таким образом, любой объект на пути гравитационной волны будет меняться в длину: именно эти крошечные изменения и фиксируются детекторами Ligo и Virgo.

Не торопясь, две черные дыры сталкиваются за доли секунды и сливаются в одну черную дыру. Эта новая черная дыра легче, чем сумма двух первоначальных черных дыр: и не зря, часть их массы преобразуется в гравитационную энергию, следуя знаменитой формуле Эйнштейна: E=mc². Это феноменальное высвобождение энергии называется "сбрасыванием кольца": это перенастройка массы, заряда и вращения результирующей черной дыры.

Нелинейные эффекты известны, но недостаточно учтены

В 1973 году команда под руководством Сола Теукольского впервые смоделировала электромагнитные волны, возникающие в результате этого явления. Однако исследователи мало учитывали искажения волн, которые могут возникать при таком слиянии. С тех пор дальнейшие исследования черных дыр привели к пониманию того, что эти искажения существуют. Однако они часто считались незначительными и плохо учитывались в моделях, говорят ученые. "Поскольку слияния черных дыр происходят так бурно, искажения в конечной черной дыре часто бывают большими", — поправляет Киф Митман, возглавлявший исследовательскую группу Калтеха, как сообщается в статье Physics World. "Это означает, что следует ожидать нелинейных эффектов, [таких, как] гравитационные волны, взаимодействующие сами с собой при распространении через пространство-время вблизи черной дыры, порождая новые волны".

Поэтому две группы ученых занялись разработкой новых моделей для лучшего расчета этих нелинейных эффектов гравитационных волн. "Мы улучшили модель гравитационных волн, включив в нее нелинейные взаимодействия гравитации. Мы рассмотрели различные численные симуляции слияния черных дыр, содержащие как линейные, так и нелинейные взаимодействия. Затем мы оценили, насколько хорошо наша нелинейная модель воспроизводит симуляции", — описывает Макарена Лагос, член команды Кифа Митмана из Колумбийского университета.

Их исследование показало, что эти нелинейные эффекты нельзя игнорировать. Проанализировав различные симуляции слияний черных дыр, они подсчитали, что на них может приходиться до 10% сигналов гравитационных волн. В целом, по их оценкам, корректируя модели путем учета нелинейных эффектов, можно получить модели "кольца вниз", которые примерно в 100 раз точнее тех, что существовали до сих пор. Анализ этих волн может стать ключом к лучшему пониманию поведения черных дыр.

Благодаря этому новому подходу исследователи могут стать на шаг ближе к разгадке тайн Вселенной. Получив более точные модели, исследователи также смогут проверить пределы знаменитой теории относительности Эйнштейна. А почему бы и нет, выйти за их пределы. Однако, возможно, исследователям придется подождать некоторое время, прежде чем начать действовать: инструменты, которые в настоящее время используются для улавливания и анализа гравитационных волн, не приспособлены для интеграции этого понятия нелинейности. Прогресс в астрофизике, безусловно, должен сопровождаться развитием технологий.

Подпишитесь на нас: Вконтакте / Telegram
Back to top button