|
Расширенный каталог столкновений с черными дырами
|
|
|
|
SXS —Моделирование экстремальных пространственно—временных условий - это продолжающееся научное сотрудничество, которое на протяжении нескольких десятилетий занимается моделированием драматических событий в космосе, в частности слияний двойных систем черных дыр. Недавно, спустя шесть лет после выпуска версии 2, SXS опубликовала статью, описывающую версию 3 своего каталога бинарных моделей черных дыр. Статья была опубликована в журнале Classical and Quantum Gravity.
|
|
|
|
В 2015 году LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) впервые успешно наблюдала гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, вызванную драматическими небесными явлениями, — но астрофизики-теоретики из коллаборации SXS уже два десятилетия усердно работали над расчетами того, как эти волны могут выглядеть, когда достигнут Земли.
|
|
|
|
Гравитационные волны создаются различными космологическими событиями, включая слияния нейтронных звезд и черных дыр, и эти волны проходят через космос и даже через Землю.
|
|
|
|
Очень чувствительные детекторы, такие как LIGO, регистрируют возмущения, создаваемые этими гравитационными волнами, когда они проходят мимо, а затем пытаются определить, какое небесное явление их породило. Но не менее важно подойти к решению этой задачи с противоположной стороны, рассчитав, какие формы гравитационных волн будут возникать в результате различных типов небесных явлений, прежде чем будут доступны данные о них. Именно этим занимается сотрудничество SXS.
|
|
|
|
|
|
|
Решить уравнения Эйнштейна для слияния черных дыр чрезвычайно сложно. "Вы можете взять уравнения Эйнштейна и записать их в форме, описываемой как гиперболическая, которая подходит для анализа волнообразных явлений", - объясняет Киф Митман (Keefe Mitman), доктор философии, ныне научный сотрудник НАСА в Корнеллском университете.
|
|
|
|
"Это означает, что если вы дадите этим уравнениям какие-то исходные данные, то получите уникальное решение для того, как эти данные будут изменяться с течением времени. И по мере того, как мы переходим к получению результатов с более высоким разрешением, мы можем ожидать сходимости: моделирование все больше и больше приближается к точному решению, которое можно было бы ожидать от уравнений Эйнштейна".
|
|
|
|
Сегодня ученые из SXS и LIGO обмениваются своими данными и уравнениями, сопоставляя прогнозы с наблюдениями и обратно.
|
|
|
|
На данный момент, говорит Митман, "мы делаем достаточно, и LIGO только наверстывает упущенное. До сих пор, когда LIGO что-то обнаруживала, ее астрофизики могли обратиться к каталогу SXS и найти симуляцию, которая позволяла бы понять, что происходит с их наблюдениями. Если они не найдут то, что им нужно, они могут попросить SXS провести новое моделирование с другими параметрами, которые могли бы лучше соответствовать их данным".
|
|
|
|
Но кто знает, что может принести будущее? В 1970-х и 1980-х годах теоретическое обоснование таких событий, как слияние черных дыр, с помощью математического метода, известного как численная теория относительности, представлялось более сложной задачей, чем простое обнаружение гравитационных волн по мере их приближения к Земле, и эта задача казалась где-то между чрезвычайно сложной и совершенно невыполнимой. И все же, спустя 50 лет обнаружение гравитационных волн стало реальностью.
|
|
|
|
Однажды данные могут превзойти теорию, поэтому исследователи из коллаборации SXS продолжают усердно работать над теоретизированием всего спектра возможных слияний черных дыр.
|
|
|
|
Они выводят сигналы, которые эти события передают на детекторы гравитационных волн, которые теперь включают в себя, помимо LIGO, интерферометр Virgo близ Пизы, Италия, и KAGRA (детектор гравитационных волн Камиока), интерферометр в префектуре Гифу, Япония, с интерферометрами космического базирования, такими как LISA (лазерный интерферометр Космическая антенна) и DECIGO (децигерцовая интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), которые скоро появятся.
|
|
|
|
Затем SXS публикует свои модели в Интернете, где любой желающий может, так сказать, достать конкретную симуляцию и сопровождающий ее компьютерный код с библиотечной полки.
|
|
|
|
Недавно выпущенный расширенный каталог почти в два раза больше, чем в предыдущем выпуске: 3756 симуляций по сравнению с каталогом 2019 года. Эти расчеты также учитывают свойство гравитационных волн, предсказанное общей теорией относительности, но ранее не учитывавшееся: память гравитационных волн.
|
|
|
|
"Обычно, когда вы думаете о волнах, например, о расширяющихся концентрических волнах, которые возникают, когда вы бросаете камень в пруд, вы знаете, что через некоторое время волны рассеются, и поверхность пруда снова станет ровной", - говорит Митман.
|
|
|
|
"С гравитационными волнами все немного по-другому. Когда гравитационная волна проходит через некоторую область пространства-времени, это пространство расширяется и сжимается в соответствии с пиками и впадинами гравитационной волны. Но после того, как гравитационная волна прошла, эта область пространства не становится прежней. Она постоянно меняется. Эта область пространства-времени помнит, что произошло, поэтому мы называем это эффектом памяти."
|
|
|
|
Благодаря эффекту гравитационно-волновой памяти, который теперь включен в расчеты SXS, теоретики приближаются ко все более точным предсказаниям слияния черных дыр.
|
|
|
|
"Каталог широко используется мировым сообществом специалистов по гравитационным волнам, и каждый год на него ссылаются десятки статей", - говорит Сол Теукольски, профессор теоретической астрофизики в Робинсоне.
|
|
|
|
"Например, модели сигналов, используемые для поиска событий в данных LIGO, откалиброваны в соответствии с высокоточным моделированием в каталоге. И теоретические идеи об общей теории относительности могут быть проверены с помощью этого моделирования, которое точно решает уравнения теории Эйнштейна".
|
|
|
|
"Слияния черных дыр можно обнаружить только с помощью гравитационных волн", - объясняет Митман, поэтому работа SXS жизненно важна для расширения границ фундаментальной физики на космологическом уровне.
|
|
|
|
Источник
|
