Naukowcy dokonali najdokładniejszych prognoz nieuchwytnych zakłóceń czasoprzestrzennych spowodowanych, gdy dwa czarne dziury przelatują ściśle obok siebie.
Nowe odkrycia, opublikowany Środa (14 maja) W czasopiśmie Nature pokazują, że abstrakcyjne koncepcje matematyczne z fizyki teoretycznej mają praktyczne zastosowanie w modelowaniu fali czasoprzestrzennych, torując drogę dla bardziej precyzyjnych modeli do interpretacji danych obserwacyjnych.
Fale grawitacyjne są zniekształceniami w strukturze czasoprzestrzeni spowodowanej ruchem masywnych obiektów, takich jak Czarne dziury lub gwiazdy neutronowe. Po raz pierwszy przewidywane w Albert Einstein’s Teoria ogólnej względności W 1915 roku bezpośrednio wykryty Po raz pierwszy sto lat później, w 2015 roku. Od tego czasu fale te stały się potężnym narzędziem obserwacyjnym dla astronomów badających niektóre z najbardziej gwałtownych i enigmatycznych wydarzeń wszechświata.
Aby zrozumieć sygnały podnoszone przez wrażliwe detektory, takie jak Ligo (Obserwatorium grawitacyjnego interferometru laserowego) i Panna, naukowcy potrzebują niezwykle dokładnych modeli tego, jak oczekuje się tych fal, podobne w duchu do prognozowania Pogoda kosmiczna. Do tej pory naukowcy polegali na potężnych superkomputerach w celu symulacji interakcji czarnej dziury, które wymagają rafinacji trajektorii czarnej dziury krok po kroku, co jest skuteczne, ale powolne i kosztowne obliczeniowo.
Teraz zespół prowadzony przez Mathiasa Driesse z Humboldt University w Berlinie przyjął inne podejście. Zamiast studiować fuzje, naukowcy skupili się na „zdarzeniach rozpraszających” – w przypadku, w których dwie czarne dziury wirują blisko siebie pod ich wzajemnym ciągnięciem grawitacyjnym, a następnie kontynuują osobne ścieżki bez łączenia się. Spotkania te generują silne sygnały fali grawitacyjnej, gdy czarne otwory przyspieszają się obok siebie.
Aby dokładnie modelować te wydarzenia, zespół zwrócił się Teoria pola kwantowegoktóra jest gałęzią fizyki zwykle używaną do opisania interakcji między cząstkami elementarnymi. Zaczynając od prostych przybliżeń i systematycznie nakładania złożoności, naukowcy obliczyli kluczowe wyniki muchy czarnej dziury: ile są odchylone, ile energii jest promieniowane jako fale grawitacyjne i ile gigotów cofają się po interakcji.
Ich praca obejmowała pięć poziomów złożoności, osiągając to, co fizycy nazywają piątym porządkiem post-Minkowińskiego-najwyższy poziom precyzji, jaki kiedykolwiek osiągnął w modelowaniu tych interakcji.
Osiągnięcie tego poziomu „jest bezprecedensowe i stanowi najbardziej precyzyjne rozwiązanie dla równań Einsteina, które do tej pory wyprodukowano”-powiedział Gustav Mogull, fizyk cząstek z Queen Mary University of London i współautor badania, powiedział Space.com.
Reakcja zespołu na osiągnięcie przełomowej precyzji było „głównie zdziwione, które udało nam się wykonać” – przypomniał Mogull.
Podczas obliczania energii promieniowanej jako fale grawitacyjne, naukowcy odkryli, że w równaniach pojawiły się skomplikowane kształty sześciarwodowe znane jako kolektory Calabi-Yau. Te abstrakcyjne struktury geometryczne-często wizualizowane jako o wyższej wymiarowej analogi powierzchni przypominających pączki-od dawna są podstawą Teoria strunramy próbujące zjednoczyć mechanikę kwantową z powaga. Do tej pory uważano je za czysto matematyczne konstrukty, bez bezpośredniego testowalnego roli powiązanej z obserwowalnym zjawiskiem.
Jednak w nowym badaniu te kształty pojawiły się w obliczeniach opisujących energię promieniowaną jako fale grawitacyjne, gdy obok siebie przebiegły dwa czarne dziury. Oznacza to, że po raz pierwszy pojawili się w kontekście, który zasadniczo mógłby zostać przetestowany w realnych eksperymentach.
Mogull porównuje ich pojawienie się do przełączania ze szkła powiększającego na mikroskop, ujawniając cechy i wzory wcześniej niewykrywalne. „Pojawienie się takich struktur rzuca nowe światło na rodzaje przedmiotów matematycznych, z których buduje się natura” – powiedział.
Oczekuje się, że te odkrycia znacznie zwiększą przyszłe modele teoretyczne, które mają na celu przewidywanie sygnatur fali grawitacyjnej. Takie ulepszenia będą miały kluczowe znaczenie jak detektory fali grawitacyjnej nowej generacji-w tym planowane Antena przestrzenna interferometru laserowego (Lisa) i teleskop Einstein w Europie – dostają się online w nadchodzących latach.
„Poprawa precyzji jest konieczna, aby nadążyć za wyższą precyzją przewidywaną z tych detektorów” – powiedział Mogull.
