Расширенный каталог симуляций столкновений черных дыр
SXS — Simulating eXtreme Spacetimes — это постоянно действующая научная коллаборация, которая на протяжении нескольких десятилетий создает симуляции драматических событий в космосе, в частности слияния бинарных систем черных дыр. На днях SXS опубликовала статью, в которой описывается версия 3 своего каталога симуляций бинарных черных дыр, спустя шесть лет после выпуска версии 2. Статья была опубликована в журнале Classical and Quantum Gravity.
В 2015 году LIGO (Лазерный интерферометр гравитационных волн) впервые успешно зарегистрировал гравитационные волны — рябь в пространственно-временном континууме, возникающая в результате драматических космических событий. Однако теоретические астрофизики коллаборации SXS уже два десятилетия усердно работали над расчетами, чтобы предсказать, как эти волны будут выглядеть, когда достигнут Земли.
Гравитационные волны создаются различными космологическими событиями, включая слияния нейтронных звезд и черных дыр, и эти волны проходят сквозь космос и даже через Землю. Очень чувствительные детекторы, такие как LIGO, регистрируют небольшие возмущения, вызванные этими гравитационными волнами, и пытаются определить, какое космическое событие стало причиной их появления. Но также необходимо решать эту задачу с обратной стороны, вычисляя, какие формы гравитационных волн могут возникнуть в результате различных типов событий до того, как будут доступны данные о детектировании. Именно это и делает коллаборация SXS.
Решение уравнений Эйнштейна для сливающихся черных дыр является очень сложной задачей. «Вы можете взять уравнения Эйнштейна и записать их в форме, которая описывается как гиперболическая, что подходит для анализа волнообразных явлений», — объясняет Кифф Митман (Ph.D.), ныне научный сотрудник NASA в Корнеллском университете. «Это означает, что если вы зададите этим уравнениям какие-то начальные данные, будет единственное решение, как эти данные будут развиваться с течением времени. И по мере перехода к более детальным результатам мы можем ожидать сходимости: симуляции, которые все более точно приближаются к ожидаемому решению, которое вы могли бы получить из уравнений Эйнштейна».
На сегодняшний день ученые SXS и LIGO обмениваются своими данными и уравнениями, сопоставляя предсказания с наблюдениями и наоборот. На этом этапе, говорит Митман, «мы делаем достаточно много, и LIGO только начинает догонять. До сих пор, когда LIGO что-то обнаруживал, астрофизики могли обратиться к каталогу SXS и найти симуляцию, которая подскажет, что происходит с их наблюдениями. Если они не находят нужной информации, они могут попросить SXS о новой симуляции с другими параметрами, которые могут лучше соответствовать их данным».
Но кто знает, что может принести будущее? В 1970-х и 1980-х годах теоретизирование событий, подобных слияниям черных дыр с использованием математического метода, известного как числовая общая теория относительности, казалось более сложным, чем просто обнаружение гравитационных волн по мере их достижения Земли. И эта задача казалась чем-то между крайне сложным и совершенно невозможным. И тем не менее, за 50 лет обнаружение гравитационных волн стало реальностью.
В один прекрасный день данные могут опередить теорию, поэтому исследователи коллаборации SXS продолжают напряженно работать над теоретическим обоснованием всего спектра возможных слияний черных дыр.
Они выводят волновые формы, которые эти события могут создавать для детекторов гравитационных волн, которые теперь включают, помимо LIGO, интерферометр Virgo недалеко от Пизы, Италия, и KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) — интерферометр в префектуре Гифу в Японии, а также грядущие космические интерферометры, такие как LISA (Laser Interferometer Space Antenna) и DECIGO (DECi-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory).
SXS затем публикует свои модели в интернете, где каждый может, так сказать, «снять» конкретную симуляцию и соответствующий компьютерный код с «полки библиотеки».
Новый расширенный каталог почти вдвое больше, чем в предыдущем выпуске: 3,756 симуляций по сравнению с каталогом 2019 года. Эти симуляции также учитывают новое свойство гравитационных волн, предсказанное общей теорией относительности, которое не было учтено ранее: память гравитационных волн.
«Обычно, когда вы думаете о волнах, например, о распространяющихся концентрических волнах, возникающих при бросании камня в пруд, вы знаете, что через некоторое время волны рассеиваются, и поверхность пруда снова становится ровной», — говорит Митман. «С гравитационными волнами это немного иначе. Когда гравитационная волна проходит через некоторую область пространства-времени, это пространство расширяется и сжимается вместе с пиками и впадинами гравитационной волны. Но после того, как гравитационная волна прошла, эта область пространства не возвращается в прежнее состояние. Она остается измененной. Эта область пространства-времени запоминает произошедшее, отсюда и название — эффект памяти».
С включением эффекта памяти гравитационных волн в симуляции SXS теоретики приближаются к все более точным предсказаниям для слияний черных дыр. «Каталог широко используется в международном сообществе гравитационных волн, десятки статей ссылаются на него каждый год», — говорит Сол Тьюколски, профессор теоретической астрофизики.
«Например, модели форм волн, используемые для поиска событий в данных LIGO, откалиброваны относительно высокоточных симуляций из каталога. И теоретические идеи о общей теории относительности могут проверяться на этих симуляциях, которые решают точные уравнения теории Эйнштейна».
«Слияния черных дыр можно обнаружить только с помощью гравитационных волн», — объясняет Митман, поэтому работа SXS имеет жизненно важное значение для продвижения основополагающей физики на космологическом уровне.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
