Моделирование показывает последствия столкновения черной дыры

May 11, 2023

Новые модели двух черных дырСтолкновения со скоростью, близкой к скорости света, раскрывают загадочную физику того, что один астрофизик назвал «одним из самых жестоких событий, которые вы только можете себе представить во Вселенной».

«Это немного безумие — взорвать две черные дыры лицом к лицу со скоростью, близкой к скорости света», — сказал Томас Хелфер, научный сотрудник Университета Джонса Хопкинса, который разработал моделирование. «Гравитационные волны, связанные со столкновением, могут показаться разочаровывающими, но это одно из самых жестоких событий, которые вы только можете себе представить во Вселенной».

Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, представляет собой первый детальный взгляд на последствия такого катастрофического столкновения и показывает, как образуется остаточная черная дыра и отправит гравитационные волны через космос.

Слияние черных дыр — одно из немногих событий во Вселенной, достаточно энергичных, чтобы создавать обнаруживаемые гравитационные волны, которые несут энергию, произведенную массивными космическими столкновениями. Подобно ряби в пруду, эти волны текут по Вселенной, искажая пространство и время. Но в отличие от волн, движущихся по воде, они чрезвычайно малы и распространяются в «пространстве-времени» — ошеломляющей концепции, объединяющей три измерения пространства с идеей времени.

«Если через меня проходит гравитационная волна, она делает меня немного тоньше и немного выше, а затем немного ниже и немного толще», — сказала соавтор Эмануэле Берти, физик из Университета Джонса Хопкинса. «Но величина, с которой он это делает, примерно в 100 000 раз меньше размера атомного ядра».

Физики изучали волны, излучаемые после слияния черных дыр, упрощая общую теорию относительности (теорию Эйнштейна о том, как работает гравитация), используя уравнения, которые игнорируют тонкие, но важные гравитационные эффекты слияния. Берти считает, что этот подход предвзят, поскольку он опирается на «линейные приближения» — предположение о том, что гравитационные волны, возникающие во время слияния, слабы.

Хотя для черных дыр практически невозможно столкнуться на таких экстремальных скоростях, моделирование такого столкновения дало сигналы, достаточно сильные, чтобы команда могла обнаружить нелинейности или гравитационные эффекты, которые невозможно обнаружить с помощью упрощенной версии теории. Результаты показывают, что слияния черных дыр невозможно изучать с помощью линеаризованных уравнений и что существующие модели этих событий необходимо доработать, если не изменить вообще.

«Общая теория относительности нелинейна, а это означает, что гравитационные волны сами по себе также будут порождать еще больше гравитационных волн», — сказал Марк Хо-Юк Чунг, докторант физики Университета Джонса Хопкинса, который руководил исследованием.

Команда также обнаружила эти так называемые нелинейности, анализируя моделирование слияния двух черных дыр после обращения друг вокруг друга — сценарий, который более реалистично представляет то, что происходит во Вселенной. Исследование тех же симуляций, проведенное независимой группой исследователей из Калифорнийского технологического института, также опубликовано в сегодняшнем журнале Physical Review Letters и дает аналогичные результаты.

«Это очень важно, потому что мы не можем забывать о сложностях, если действительно хотим понять черные дыры», — сказал Чунг. «Теория Эйнштейна — чудовище; уравнения действительно сложны».

В число авторов входят Вишал Байбхав из Северо-Западного университета; Витор Кардозу из Института Нильса Бора и Лиссабонского университета; Грегорио Карулло из Йенского университета имени Фридриха Шиллера; Роберто Котеста из Университета Джонса Хопкинса; Вальтер Дель Поццо из Пизанского университета; Франсиско Дуке из Лиссабонского университета; Эстути Шукла из Университета штата Пенсильвания; и Казе Вонг из Института Флэтайрон. Байбхав и Вонг — бывшие студенты Университета Джонса Хопкинса.

Это исследование было поддержано Фондом Краучера, грантами NSF № AST-2006538, PHY-2207502, PHY-090003 и PHY-20043, а также грантами НАСА № 19-ATP19-0051, 20-LPS20-0011 и 21-ATP21-. 0010. Эта работа была выполнена с использованием вычислительных ресурсов Мэрилендского вычислительного центра перспективных исследований и Техасского вычислительного центра.