Obrazový kredit: Penn State
Vedci v štáte Penn dosiahli nový míľnik v snahe modelovať dve obiehajúce čierne diery, čo je udalosť, ktorá má za následok vznik gravitačných vĺn. „Objavili sme spôsob, ako numericky prvýkrát modelovať jednu obežnú dráhu dvoch inšpirujúcich čiernych dier,“ hovorí Bernd Bruegmann, docent fyziky a vedecký pracovník Penn State Institute of Gravitational Physics and Geometry. Výskum Bruegmanna je súčasťou celosvetového úsilia o zachytenie prvej gravitačnej vlny pri prevrátení Zemou.
Dokument popisujúci tieto simulácie bude uverejnený v čísle časopisu Physical Review Letters z 28. mája 2004. Autorom článku je Bruegmann a dvaja postdoktorandskí vedci v jeho skupine v štáte Penn State, Nina Jansen a Wolfgang Tichy.
Čierne diery sú opísané Einsteinovou teóriou všeobecnej relativity, ktorá poskytuje veľmi presný opis gravitačnej interakcie. Einsteinove rovnice sú však zložité a notoricky ťažko riešiteľné aj číselne. Čierne diery navyše spôsobujú svoje vlastné problémy. Vo vnútri každej čiernej diery sa skrýva to, čo sa nazýva priestoro-časová jedinečnosť. Akýkoľvek objekt, ktorý sa blíži príliš, bude pritiahnutý do stredu čiernej diery bez akejkoľvek možnosti znovu uniknúť a zažije obrovské gravitačné sily, ktoré ho roztrhnú.
„Keď na počítači modelováme tieto extrémne podmienky, zistíme, že čierne diery sa chcú pohltiť a roztrhnúť numerickú mriežku bodov, ktorú používame na priblíženie sa k čiernym dieram,“ hovorí Bruegmann. „Jedinú čiernu dieru je už ťažké modelovať, ale dve čierne diery v záverečných fázach ich inšpirácie sú oveľa ťažšie kvôli vysoko nelineárnej dynamike Einsteinovej teórie.“ Počítačové simulácie binárnych súborov s čiernymi dierami bývajú nestabilné a padajú po konečnom čase, ktorý bol podstatne kratší ako čas potrebný na jednu obežnú dráhu.
"Technika, ktorú sme vyvinuli, je založená na mriežke, ktorá sa pohybuje spolu s čiernymi dierami, minimalizuje ich pohyb a skreslenie a kupuje nám dosť času na to, aby dokončili jednu špirálovú obežnú dráhu okolo seba predtým, ako dôjde k počítačovej simulácii," hovorí Bruegmann. Poskytuje analógiu na ilustráciu stratégie „spoločného pohybu“: „Ak stojíte pred kolotočom a chcete sledovať jednu osobu, musíte pohybovať hlavou, aby ste ho sledovali, keď krúží. Ale ak stojíte na karuseli, musíte sa pozerať iba jedným smerom, pretože táto osoba sa už vo vzťahu k vám už nepohybuje, hoci obaja sa pohybujete v kruhoch. “
Konštrukcia spoločnej siete je dôležitou inováciou Bruegmannovej práce. Aj keď to nie je nový nápad pre fyzikov, je výzvou, aby fungoval s dvoma čiernymi dierami. Vedci tiež pridali mechanizmus spätnej väzby na dynamické úpravy podľa vývoja čiernych dier. Výsledkom je prepracovaná schéma, ktorá v skutočnosti pracuje pre dve čierne diery pre približne jednu obežnú dráhu špirálovitého pohybu.
„Zatiaľ čo modelovanie interakcií s čiernymi dierami a gravitačných vĺn je veľmi náročný projekt, výsledok profesora Bruegmanna dáva dobrý pohľad na to, ako by sme mohli nakoniec uspieť v tomto simulačnom úsilí,“ hovorí Richard Matzner, profesor na Texaskej univerzite v Austine a hlavný riešiteľ bývalá Aliancia veľkých výziev Národnej vedeckej nadácie, ktorá v 90. rokoch položila veľkú časť základov pre numerickú relativitu.
Abhay Ashtekar, Eberly, profesor fyziky a riaditeľ Inštitútu gravitačnej fyziky a geometrie, dodáva: „Nedávna simulácia skupiny profesora Bruegmanna je medzníkom, pretože otvára dvere k uskutočneniu numerickej analýzy rôznych kolízií čiernych dier, ktoré patria medzi najzaujímavejšie udalosti pre gravitačnú vlnu astronómie. “
Tento výskum bol financovaný z grantov Národnej vedeckej nadácie vrátane jedného z Frontier Center for Gravitational Wave Physics zriadeného National Science Foundation v Penn State State Institute for Gravitational Physics and Geometry.
Pôvodný zdroj: Penn State News Release
