Kreditna slika: Penn State
Znanstvenici iz Penn Statea postigli su novu prekretnicu u nastojanju da modeliraju dvije crne rupe u orbiti, događaj za koji se očekuje da će roditi snažne gravitacijske valove. "Otkrili smo način da brojčano modeliramo, po prvi put, jednu orbitu dviju crnih rupa koje nadahnjuju", kaže Bernd Bruegmann, izvanredni profesor fizike i istraživač Instituta za gravitacijsku fiziku i geometriju države Penn. Bruegmannovo istraživanje dio je svjetskog nastojanja da se uhvati prvi gravitacijski val u djelu prevrtanja Zemlje.
Rad koji opisuje ove simulacije bit će objavljen u broju za časopis Physical Review Letters za 28. svibanj 2004. Rad su autor Bruegmann i dva postdoktorska učenjaka u njegovoj grupi u državi Penn State, Nina Jansen i Wolfgang Tichy.
Crne rupe opisane su Einsteinovom teorijom opće relativnosti koja daje vrlo točan opis gravitacijske interakcije. Međutim, Einsteinove su jednadžbe složene i notorno je teško riješiti čak i numerički. Nadalje, crne rupe predstavljaju vlastite probleme. Unutar svake crne rupe krije se ono što je poznato kao prostorno-vremenska singularnost. Bilo koji predmet koji se približi previše će se povući u središte crne rupe bez ikakve šanse da ponovno pobjegne i iskusit će ogromne gravitacijske sile koje ga razdvajaju.
"Kada modeliramo ove ekstremne uvjete na računalu, ustanovimo da crne rupe žele proždrijeti i rastrgati brojčanu mrežu mreža koje koristimo za približavanje crnih rupa", kaže Bruegmann. "Jednu crnu rupu već je teško modelirati, ali dvije su crne rupe u posljednjoj fazi njihove inspiracije znatno teže zbog izrazito nelinearne dinamike Einsteinove teorije." Računalne simulacije binarnih crnih rupa obično nestabilno propadaju nakon određenog vremena, što je nekad bilo znatno kraće od vremena potrebnog za jednu orbitu.
"Tehnika koju smo razvili temelji se na mreži koja se kreće zajedno s crnim rupama, minimizirajući njihovo kretanje i izobličenje i kupuje nam dovoljno vremena da dovršimo jednu spiralnu orbitu oko sebe prije nego što se računalna simulacija sruši", kaže Bruegmann. On nudi analogiju koja ilustrira strategiju „mreže koja se kreću“: „Ako stojite ispred kormila i želite gledati jednu osobu, morate stalno pomicati glavu da biste je nastavili promatrati dok kruži. Ali ako stojite na vrtiću, morate gledati samo u jednom smjeru jer se ta osoba više ne kreće u odnosu na vas, iako vas oboje kruže u krugu. "
Izgradnja mreže koja se kreće važna je inovacija Bruegmannovog rada. Iako to nije nova ideja za fizičare, izazov je učiniti da to djeluje s dvije crne rupe. Istraživači su također dodali mehanizam za povratne informacije kako bi prilagodili dinamično kako se crne rupe razvijaju. Rezultat je razrađena shema koja u stvari djeluje za dvije crne rupe za otprilike jednu orbitu spiralnog gibanja.
„Iako je modeliranje interakcija crnih rupa i gravitacijskih valova vrlo težak projekt, rezultat profesora Bruegmanna daje dobar prikaz kako ćemo konačno uspjeti u ovom naumu simulacije“, kaže Richard Matzner, profesor sa Sveučilišta u Teksasu u Austinu i glavni istraživač Nacionalni zaklada za znanost (Binary Black Hole Grand Challenge Alliance) koja je postavila velik dio temelja za numeričku relativnost u 90-ima.
Abhay Ashtekar, profesor fizike Eberly i direktor Instituta za gravitacijsku fiziku i geometriju, dodaje: "Nedavna simulacija grupe profesora Bruegmanna je orijentir, jer otvara vrata za numeričku analizu raznih sudara u crnoj rupi koji su među najzanimljiviji događaji za astronomiju gravitacijskog vala. "
Ovo je istraživanje financirano bespovratnim sredstvima Nacionalne zaklade za znanost, uključujući i onaj Graničnog centra za fiziku gravitacijskih valova koji je osnovala Nacionalna zaklada za znanost pri Penn Državnom institutu za gravitacijsku fiziku i geometriju.
Izvorni izvor: Izjava o saveznoj državi Penn
