Zdjęcie: Penn State
Naukowcy z Penn State osiągnęli nowy kamień milowy w modelowaniu dwóch orbitujących czarnych dziur, wydarzenie, które ma wywołać silne fale grawitacyjne. „Po raz pierwszy odkryliśmy sposób na modelowanie numeryczne jednej orbity dwóch inspirujących czarnych dziur”, mówi Bernd Bruegmann, profesor fizyki i badacz w Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry. Badania Bruegmanna są częścią ogólnoświatowego przedsięwzięcia, aby uchwycić pierwszą falę grawitacyjną podczas toczenia się nad Ziemią.
Artykuł opisujący te symulacje zostanie opublikowany w numerze czasopisma Physical Review Letters z dnia 28 maja 2004 r. Artykuł jest autorstwa Bruegmanna i dwóch doktorów habilitowanych w jego grupie w Penn State, Niny Jansen i Wolfganga Tichy.
Czarne dziury są opisane w ogólnej teorii względności Einsteina, która daje bardzo dokładny opis interakcji grawitacyjnej. Jednak równania Einsteina są skomplikowane i niezwykle trudne do rozwiązania nawet liczbowo. Co więcej, czarne dziury stwarzają własne problemy. Wewnątrz każdej czarnej dziury czai się tak zwana osobliwość czasoprzestrzenna. Każdy obiekt, który znajdzie się zbyt blisko, zostanie przyciągnięty do środka czarnej dziury bez szans na ucieczkę i będzie doświadczał ogromnych sił grawitacyjnych, które ją rozrywają.
„Kiedy modelujemy te ekstremalne warunki na komputerze, okazuje się, że czarne dziury chcą pożerać i rozrywać siatkę liczbową punktów, których używamy do przybliżania czarnych dziur”, mówi Bruegmann. „Pojedyncza czarna dziura jest już trudna do modelowania, ale dwie czarne dziury w końcowych etapach swojej inspiracji są znacznie trudniejsze ze względu na wysoce nieliniową dynamikę teorii Einsteina”. Symulacje komputerowe plików binarnych czarnych dziur mają tendencję do niestabilności i awarii po skończonym czasie, który był znacznie krótszy niż czas wymagany na jedną orbitę.
„Opracowana przez nas technika opiera się na siatce, która porusza się wraz z czarnymi dziurami, minimalizując ich ruch i zniekształcenia, i dając nam wystarczająco dużo czasu, aby mogli ukończyć jedną spiralną orbitę wokół siebie, zanim nastąpi awaria symulacji komputerowej”, mówi Bruegmann. Proponuje analogię do zilustrowania strategii „kroczącej siatki”: „Jeśli stoisz przed karuzelą i chcesz obserwować jedną osobę, musisz poruszać głową, aby obserwować go, gdy krąży. Ale jeśli stoisz na karuzeli, musisz patrzeć tylko w jednym kierunku, ponieważ ta osoba nie porusza się już względem ciebie, chociaż oboje krążysz w kółko.
Budowa rusztu ruchomego jest ważną innowacją w pracy Bruegmanna. Nie jest to nowy pomysł dla fizyków, ale wyzwaniem jest, aby działał z dwiema czarnymi dziurami. Naukowcy dodali również mechanizm sprzężenia zwrotnego, aby dynamicznie dokonywać korekt w miarę ewolucji czarnych dziur. Rezultatem jest skomplikowany schemat, który faktycznie działa dla dwóch czarnych dziur dla około jednej orbity ruchu spiralnego.
„Podczas gdy modelowanie interakcji między czarnymi dziurami i falami grawitacyjnymi jest bardzo trudnym projektem, wyniki profesora Bruegmanna dają dobry obraz tego, w jaki sposób możemy w końcu odnieść sukces w tej symulacji”, mówi Richard Matzner, profesor na Uniwersytecie Teksańskim w Austin i główny badacz były Binary Black Hole Grand Challenge Alliance, dawna fundacja National Science Foundation, która w latach 90. położyła duży fundament pod względność numeryczną.
Abhay Ashtekar, Eberly profesor fizyki i dyrektor Instytutu Fizyki i Geometrii Grawitacyjnej, dodaje: „Niedawna symulacja grupy profesora Bruegmanna jest przełomowa, ponieważ otwiera drzwi do przeprowadzania analizy numerycznej różnych zderzeń czarnych dziur, które należą do najciekawsze wydarzenia dla astronomii fal grawitacyjnych. ”
Badania zostały sfinansowane z grantów National Science Foundation, w tym jednego dla Frontier Center for Gravitational Wave Physics utworzonego przez National Science Foundation w Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry.
Oryginalne źródło: Penn State News Release
