Obrazový kredit: Penn State
Vědci ve státě Penn dosáhli nového milníku ve snaze modelovat dvě obíhající černé díry, což je událost, která by měla vyvolat silné gravitační vlny. "Objevili jsme způsob, jak numericky poprvé modelovat jednu orbitu dvou inspirujících černých děr," říká Bernd Bruegmann, docent fyziky a výzkumný pracovník Penn State Institute pro gravitační fyziku a geometrii. Výzkum Bruegmanna je součástí celosvětového úsilí zachytit první gravitační vlnu při převrácení po Zemi.
Příspěvek popisující tyto simulace bude zveřejněn v čísle časopisu Physical Review Letters z 28. května 2004. Autorem článku je Bruegmann a dva postdoktorští učenci ve své skupině ve státě Penn State, Nina Jansen a Wolfgang Tichy.
Černé díry jsou popsány Einsteinovou teorií obecné relativity, která poskytuje vysoce přesný popis gravitační interakce. Einsteinovy rovnice jsou však komplikované a notoricky obtížně řešitelné i numericky. Navíc černé díry představují jejich vlastní problémy. Uvnitř každé černé díry se skrývá to, co se nazývá singularita časoprostoru. Jakýkoli předmět, který se blíží, bude stažen do středu černé díry, aniž by měl šanci znovu uniknout, a zažije to obrovské gravitační síly, které jej roztrhnou.
"Když modelujeme tyto extrémní podmínky na počítači, zjistíme, že černé díry se chtějí pohltit a roztrhnout numerickou mřížku bodů, kterou používáme pro přibližování černých děr," říká Bruegmann. "Jediná černá díra se již obtížně modeluje, ale dvě černé díry v závěrečných stádiích jejich inspirace jsou mnohem obtížnější kvůli vysoce nelineární dynamice Einsteinovy teorie." Počítačové simulace binárních dírek s černou dírou bývají nestabilní a havarují po konečném čase, který byl dříve podstatně kratší než čas potřebný pro jednu orbitu.
"Technika, kterou jsme vyvinuli, je založena na mřížce, která se pohybuje spolu s černými dírami, minimalizuje jejich pohyb a zkreslení a kupuje nám dostatek času na to, aby dokončily jednu spirálovitou oběžnou dráhu kolem sebe před pádem počítačové simulace," říká Bruegmann. Nabízí analogii, aby ilustroval strategii „společného pohybu“: „Pokud stojíte před kolotočem a chcete sledovat jednu osobu, musíte pohybovat hlavou, abyste ho stále sledovali, když kroužil. Ale pokud stojíte na karuselu, musíte se dívat pouze jedním směrem, protože ten člověk se vůči vám již nepohybuje, přestože oba jdete kolem v kruzích. “
Vybudování společné sítě je důležitou novinkou Bruegmannovy práce. I když to není pro fyziky nový nápad, je výzvou, aby to fungovalo se dvěma černými dírami. Vědci také přidali mechanismus zpětné vazby, aby se dynamicky upravovaly úpravy podle vývoje černých děr. Výsledkem je propracované schéma, které ve skutečnosti pracuje pro dvě černé díry pro přibližně jednu oběžnou dráhu spirálového pohybu.
„Zatímco modelování interakcí s černou dírou a gravitačních vln je velmi obtížný projekt, výsledek profesora Bruegmanna dává dobrý pohled na to, jak můžeme nakonec uspět v tomto simulačním úsilí,“ říká Richard Matzner, profesor na Texaské univerzitě v Austinu a hlavní vyšetřovatel bývalá aliance Binary Black Hole Grand Challenge Alliance, která položila velkou část základů pro numerickou relativitu v 90. letech.
Abhay Ashtekar, Eberly profesor fyziky a ředitel Ústavu pro gravitační fyziku a geometrii, dodává: „Nedávná simulace skupiny profesora Bruegmanna je mezníkem, protože otevírá dveře k provádění numerické analýzy různých kolizí černých děr, které patří mezi nejzajímavější události pro gravitační vlnu astronomie. “
Tento výzkum byl financován z grantů Národní vědecké nadace, včetně jednoho z Frontier Center for Gravitational Wave Physics zřízeného National Science Foundation ve Penn State State Institute pro gravitační fyziku a geometrii.
Původní zdroj: Penn State News Release
