Kreditna slika: Penn State
Znanstveniki iz zvezne države Penn so dosegli nov mejnik v prizadevanju za modeliranje dveh krožnih lukenj, ki naj bi sprožile močne gravitacijske valove. "Odkrili smo način, da številčno modeliramo prvič eno orbito dveh navdihujočih črnih lukenj," pravi Bernd Bruegmann, izredni profesor za fiziko in raziskovalec na Inštitutu za gravitacijsko fiziko in geometrijo v državi Penn. Bruegmannove raziskave so del svetovnega prizadevanja, da bi ujeli prvi gravitacijski val v dejanju prevračanja nad Zemljo.
Članek, ki opisuje te simulacije, bo objavljen v številki revije Physical Review Letters z dne 28. maja 2004. Članek sta avtor Bruegmann in dva podoktoranda iz njegove skupine pri Penn Stateu, Nina Jansen in Wolfgang Tichy.
Črne luknje opisuje Einsteinova teorija splošne relativnosti, ki daje zelo natančen opis gravitacijske interakcije. Vendar so Einsteinove enačbe zapletene in zloglasno težko rešiti celo številčno. Poleg tega črne luknje predstavljajo svoje težave. Znotraj vsake črne luknje se skriva tisto, kar je znano kot prostorsko-časovna posebnost. Vsak predmet, ki se približa, se bo potegnil v središče črne luknje, ne da bi znova pobegnil, in doživel bo ogromne gravitacijske sile, ki ga raztrgajo.
"Ko modeliramo te ekstremne razmere na računalniku, ugotovimo, da želijo črne luknje požreti in raztrgati številčno mrežo točk, ki jih uporabljamo za približevanje črnih lukenj," pravi Bruegmann. "Enotno črno luknjo je že težko modelirati, vendar sta dve črni luknji v zadnji fazi njihovega vdiha veliko težji zaradi zelo nelinearne dinamike Einsteinove teorije." Računalniške simulacije binarnih zapisov s črno luknjo po določenem času postanejo nestabilne in se zrušijo, kar je bilo včasih krajše od časa, potrebnega za eno orbito.
"Tehnika, ki smo jo razvili, temelji na rešetki, ki se premika skupaj s črnimi luknjami, zmanjšuje njihovo gibanje in izkrivljanje in nam kupi dovolj časa, da končamo eno spiralno orbito okoli sebe, preden se računalniška simulacija zruši," pravi Bruegmann. Ponuja analogijo za ponazoritev strategije „gibljive mreže“: „Če stojite zunaj vrtiljaka in želite gledati eno osebo, morate še naprej premikati glavo, da ga boste še naprej opazovali, ko kroži. Če pa stojite na vrtiljaku, morate gledati samo v eno smer, ker se ta oseba ne premika več v primerjavi z vami, čeprav se oboje gibljete v krogu. "
Izdelava premikajoče se mreže je pomembna novost dela Bruegmanna. Za fizike sicer ni nova ideja, vendar je izziv, kako to delati z dvema črnima luknjama. Raziskovalci so dodali tudi mehanizem povratnih informacij, da se dinamično prilagodijo, ko se razvijajo črne luknje. Rezultat je natančna shema, ki dejansko deluje za dve črni luknji za približno eno orbito spiralnega gibanja.
"Medtem ko je modeliranje interakcij črne luknje in gravitacijskih valov zelo težaven projekt, rezultat profesorja Bruegmanna daje dober pogled na to, kako nam lahko končno uspe to simulacijsko prizadevanje," pravi Richard Matzner, profesor na Teksaški univerzi v Austinu in glavni raziskovalec nekdanje zveze Binary Black Hole Grand Challenge Alliance, ki je v 90. letih postavila večino temeljev za številčno relativnost.
Abhay Ashtekar, profesor fizike Eberly in direktor Inštituta za gravitacijsko fiziko in geometrijo, dodaja: "Nedavna simulacija skupine profesorja Bruegmanna je pomembna, saj odpira vrata za numerično analizo različnih trkov v črni luknji, ki spadajo med najzanimivejši dogodki za astronomijo gravitacijskega vala. "
Raziskava je bila financirana s štipendijami Nacionalne znanstvene fundacije, vključno s sredstvi obmejnega centra za fiziko gravitacijskih valov, ki jih je ustanovila Nacionalna znanstvena fundacija pri Državnem inštitutu za gravitacijsko fiziko in geometrijo v Pennu.
Izvirni vir: Penn State News Release
