Attēla kredīts: Penn State
Penn State zinātnieki ir sasnieguši jaunu pavērsienu, cenšoties modelēt divus riņķojošus melnos caurumus - notikums, kas varētu izraisīt spēcīgus gravitācijas viļņus. “Mēs esam atklājuši veidu, kā modelēt skaitliski pirmo reizi vienu orbītu no diviem iedvesmojošiem melnajiem caurumiem,” saka Bernds Bruegmans, fizikas asociētais profesors un Penn State gravitācijas fizikas un ģeometrijas institūta pētnieks. Brūgena pētījumi ir daļa no pasaules mēroga centieniem noķert pirmo gravitācijas viļņu, pārvietojoties pa Zemi.
Šo simulāciju raksturojošs dokuments tiks publicēts žurnāla Physical Review Letters 2004. gada 28. maija numurā. Raksta autore ir Bruegmann un divi pēcdoktorantūras pētnieki savā grupā Penn State, Nina Jansen un Wolfgang Tichy.
Melnos caurumus raksturo Einšteina vispārējās relativitātes teorija, kas sniedz ļoti precīzu gravitācijas mijiedarbības aprakstu. Tomēr Einšteina vienādojumi ir sarežģīti, un ir grūti tos atrisināt pat skaitliski. Turklāt melnie caurumi rada pašas problēmas. Katrā melnajā caurumā slēpjas tā saucamā telpas-laika singularitāte. Jebkurš priekšmets, kas nonāk pārāk tuvu, tiks novilkts uz melnā cauruma centru, bez iespējas atkal izkļūt, un tas piedzīvos milzīgus gravitācijas spēkus, kas to izjauks.
"Kad mēs modelējam šos ekstremālos apstākļus datorā, mēs atklājam, ka melnie caurumi vēlas ēst un sagraut punktu skaitlisko līniju, ko mēs izmantojam, lai tuvinātu melnos caurumus," saka Bruegmann. "Vienu melno caurumu jau ir grūti modelēt, bet divi melnie caurumi viņu iedvesmas pēdējos posmos ir ievērojami grūtāki Einšteina teorijas ļoti nelineārās dinamikas dēļ." Melnā cauruma bināro formātu datorsimulācijas mēdz kļūt nestabilas un avarēt pēc noteikta laika, kas agrāk bija ievērojami īsāks par laiku, kas vajadzīgs vienai orbītā.
“Mūsu izstrādātās tehnikas pamatā ir režģis, kas pārvietojas kopā ar melnajiem caurumiem, samazinot to kustību un kropļojumus, un pērkot mums pietiekami daudz laika, lai viņi varētu pabeigt vienu spirālveida orbītu ap otru, pirms datorsimulācija sabrūk,” saka Bruegmans. Viņš piedāvā analoģiju, lai ilustrētu “vienlaikus pārvietojoša režģa” stratēģiju: “Ja jūs stāvat ārpus karuseļa un vēlaties skatīties vienu cilvēku, jums ir jāturpina kustēties ar galvu, lai turpinātu viņu vērot, kā viņš riņķo. Bet, ja jūs stāvat uz karuseļa, jums jāskatās tikai vienā virzienā, jo šī persona vairs nekustas attiecībā pret jums, kaut arī jūs abi dodaties lokos. ”
Kopīgi mainīga režģa būve ir svarīgs Bruegmann darba jauninājums. Lai arī tā nav jauna ideja fiziķiem, tas ir izaicinājums, lai tā darbotos ar diviem melnajiem caurumiem. Pētnieki arī pievienoja atgriezeniskās saites mehānismu, lai dinamiski veiktu pielāgojumus, attīstoties melnajiem caurumiem. Rezultāts ir sarežģīta shēma, kas faktiski darbojas uz diviem melnajiem caurumiem apmēram vienā spirālveida kustības orbītā.
“Lai gan melno caurumu mijiedarbības un gravitācijas viļņu modelēšana ir ļoti grūts projekts, profesora Bruegmaņa rezultāts sniedz labu priekšstatu par to, kā mums beidzot var izdoties veikt šo simulāciju,” saka Ričards Matzners, Ostinskas Teksasas universitātes profesors un galvenais pētnieks. Nacionālā zinātnes fonda bijušā Binārā melnā cauruma Lielā izaicinājuma alianse, kas deva daudzus pamatus skaitliskai relativitātei 90. gados.
Abhajs Ašhtekars, Eberlija fizikas profesors un Gravitācijas fizikas un ģeometrijas institūta direktors, piebilst: “Nesenā profesora Bruegmaņa grupas simulācija ir orientieris, jo tas paver iespējas veikt skaitlisku analīzi dažādām melno caurumu sadursmēm, kas ir starp interesantākie notikumi gravitācijas viļņu astronomijai. ”
Šis pētījums tika finansēts no Nacionālā zinātnes fonda dotācijām, tai skaitā no viena pierobežas gravitācijas viļņu fizikas centra, ko izveidoja Nacionālais zinātnes fonds Pensijas štata Gravitācijas fizikas un ģeometrijas institūtā.
Oriģinālais avots: Penn State News Release
