|
Путь волны через пространство-время черной дыры
|
|
|
|
В новом исследовании Physical Review Letters исследователи успешно проследили полный путь гравитационной волны из бесконечного прошлого в бесконечное будущее, когда она сталкивается с черной дырой.
|
|
|
|
По сообщению ученых из Университета Отаго и Кентерберийского университета, это исследование представляет собой первый случай, когда кому-либо удалось полностью выявить причинно-следственную связь рассеяния гравитационных волн в рамках одного моделирования.
|
|
|
|
Исследователи занимаются проблемой рассеяния в гравитационной физике. Другими словами, они хотят понять, что происходит с гравитационными волнами, когда они сталкиваются с массивными объектами (такими как черные дыры) и рассеиваются от них.
|
|
|
|
Им нужно отслеживать волны от прошлой нулевой бесконечности (где в пространстве-времени зарождаются входящие гравитационные волны) до будущей нулевой бесконечности (где в конечном итоге распространяется исходящее излучение).
|
|
|
|
Они представляют собой светоподобные границы Вселенной, откуда приходят и уходят гравитационные волны, если они движутся вечно, не останавливаясь.
|
|
|
|
|
|
|
"Мы впервые показали, что можно проследить за гравитационной волной, когда она проходит через искривленное пространство-время черной дыры из бесконечного прошлого в бесконечное будущее", - объяснил доктор Стивенс.
|
|
|
|
"Необходимость учитывать бесконечность позволяет нам вычислить общую энергию и импульс пространства-времени. Это может точно сказать нам, какая часть энергии гравитационной волны передается черной дыре, а какая уходит в бесконечность", - добавил Твала.
|
|
Цепляясь за бесконечность
|
|
|
|
Чтобы отследить траекторию гравитационной волны, исследователям необходимо было решить проблему бесконечности.
|
|
|
|
В общей теории относительности Эйнштейна изолированные системы, подобные черным дырам, существуют в асимптотически плоском пространстве-времени. Это области, которые становятся плоскими и пустыми на бесконечных расстояниях.
|
|
|
|
Эти границы, называемые нулевыми бесконечностями, показывают, где зарождаются световые и гравитационные волны (за нулевой бесконечностью) и куда они в конечном итоге направляются (за нулевой бесконечностью).
|
|
|
|
Традиционное моделирование может охватывать только конечные области пространства-времени, не давая полной картины того, как волны распространяются от места их возникновения к конечному месту назначения. По сути, они не рассказывают всей истории целиком.
|
|
|
|
"Наша работа устраняет гравитационные волны на прошлом нуль, бесконечность, развивается полностью нелинейных уравнений Эйнштейна через черное пространство-отверстие, и, естественно, извлекает гравитационные волны на будущее нуль-бесконечность", - пояснил профессор. Frauendiener.
|
|
|
|
Этот комплексный подход обеспечивает то, что исследователи называют истинной причинно-следственной связью между входящим и исходящим излучением.
|
|
Математический эксперимент
|
|
|
|
Исследователи использовали обобщенные уравнения конформного поля Фридриха (GCFE), математическую структуру, которая масштабирует пространство-время, чтобы поместить бесконечное расстояние в конечную вычислительную область. Это делает бесконечное доступным.
|
|
|
|
Для решения эволюционных уравнений исследователи создали специальный программный пакет, известный как COnFormal Field Equation Evolver (COFFEE). Используя COFFEE, исследователи смоделировали гравитационные волновые импульсы различной силы, возникающие при столкновении с черной дырой Шварцшильда.
|
|
|
|
Исследователи протестировали диапазон амплитуд волн, отслеживая, какая часть их энергии поглощалась или рассеивалась при столкновении с черной дырой.
|
|
|
|
Их моделирование показало, что пространство-время исключительно жесткое.
|
|
|
|
Для приходящих волн со слабой амплитудой только около 8,5% энергии рассеивается обратно в бесконечность, а остальная часть поглощается черной дырой. Даже для волн с высокой амплитудой только около 20% энергии улетучивается.
|
|
|
|
Измерение энергии на бесконечности
|
|
|
|
Чтобы понять, сколько энергии поступает внутрь и выходит наружу в процессе рассеяния, исследователи рассчитали две величины: энергию Бонди и новости Бонди на обеих бесконечностях.
|
|
|
|
"Новости Бонди - это просто величина, которая "сообщает" о существовании гравитационного излучения. "А именно, если оно не равно нулю, то существует гравитационное излучение, а в противном случае равно нулю", - пояснил Твала.
|
|
|
|
С другой стороны, энергия Бонди - это полная энергия светового конуса из любой точки пространства-времени. Это один из немногих строгих способов определения энергии в общей теории относительности.
|
|
|
|
Эти измерения позволили исследователям с поразительной точностью проверить экономию энергии в ходе моделирования, обеспечив критическую проверку правильности их численных методов.
|
|
|
|
Они также наблюдали захватывающие нелинейные эффекты. Несмотря на то, что были использованы простые волновые модели, сложная динамика искривленного пространства-времени генерировала дополнительные волновые режимы за счет обратной реакции. По сути, это происходит, когда волны создают новые волны по мере их распространения.
|
|
|
|
Самым интригующим было то, что когда исходящее излучение достигло будущей нулевой бесконечности, оно продемонстрировало характерные колебания, известные как квазинормальный звон, который является естественной частотой колебаний черной дыры.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что эта частота остается неизменной независимо от свойств приходящей волны, что позволяет предположить, что она зависит исключительно от самой черной дыры.
|
|
Выводы и уточнение модели
|
|
|
|
Доктор Стивенс подчеркнул важность их работы, сказав: "Наличие данных на обоих уровнях позволяет впервые сделать точные выводы о том, что происходит на входе, а что - на выходе.
|
|
|
|
"Это может дать ответы на вопросы о том, как черные дыры рассеивают гравитационные волны, и сколько энергии поглощается черной дырой, а сколько излучается".
|
|
|
|
Это имеет особое значение для современной астрономии, где эксперименты, подобные LIGO, обнаруживают гравитационные волны, исходящие от черных дыр или нейтронных звезд.
|
|
|
|
Несмотря на многообещающие результаты, исследователи выявили проблему, которую еще предстоит решить.
|
|
|
|
"Основная проблема нынешнего метода заключается в том, что начальная волна не задается непосредственно после нулевой бесконечности", - сказал проф. Фрауендинер. "Было бы идеально иметь возможность напрямую настроить входящую волну, а затем развить ее до будущей нулевой бесконечности".
|
|
|
|
На данный момент исследователи планируют сосредоточиться на раскрытии глобальных свойств проблемы рассеяния вместо того, чтобы распространять свой метод на более сложные сценарии.
|
|
|
|
Источник
|
