«Появление таких структур проливает новый свет на математические объекты, из которых построена природа».
Учёные сделали самые точные на сегодняшний день прогнозы относительно трудноуловимых возмущений пространства-времени, возникающих, когда две чёрные дыры пролетают близко друг к другу.
Новые результаты, опубликованные в журнале Nature в среду, 14 мая, показывают, что абстрактные математические концепции из теоретической физики могут быть практически применены для моделирования ряби пространства-времени, открывая путь к более точным моделям для интерпретации наблюдательных данных.
Гравитационные волны — это искажения ткани пространства-времени, вызванные движением массивных объектов, таких как чёрные дыры или нейтронные звёзды. Они были впервые предсказаны в теории общей относительности Альберта Эйнштейна в 1915 году и напрямую обнаружены лишь спустя сто лет — в 2015 году. С тех пор гравитационные волны стали мощным инструментом наблюдений для астрономов, изучающих самые бурные и загадочные явления во Вселенной.
Чтобы расшифровывать сигналы, зафиксированные высокочувствительными детекторами, такими как LIGO (лазерный интерферометрический гравитационно-волновой обсерватории) и Virgo, учёным требуются чрезвычайно точные модели ожидаемых форм этих волн — подобно прогнозу космической погоды. До сих пор исследователи полагались на мощные суперкомпьютеры для пошагового моделирования взаимодействий чёрных дыр — процесс эффективный, но медленный и дорогостоящий с вычислительной точки зрения.
Теперь команда под руководством Матиаса Дриссе из Берлинского университета имени Гумбольдта применила иной подход. Вместо слияний они сосредоточились на «рассеянии» — событиях, когда две чёрные дыры закручиваются близко друг к другу под действием взаимного притяжения и затем разлетаются, не слившись. Такие встречи создают мощные гравитационные волны, когда чёрные дыры ускоряются при пролёте друг мимо друга.
Чтобы точно смоделировать эти события, команда обратилась к квантовой теории поля — разделу физики, обычно применяемому для описания взаимодействий между элементарными частицами. Начав с простых приближений и постепенно добавляя сложность, учёные рассчитали ключевые результаты пролёта чёрных дыр: на сколько они отклоняются, сколько энергии излучается в виде гравитационных волн и какой отдачей сопровождается взаимодействие.
Их работа включала пять уровней сложности, достигнув пятого постминковского порядка — наивысшего уровня точности, когда-либо достигнутого при моделировании таких взаимодействий.
Достижение такого уровня «беспрецедентно и представляет собой самое точное решение уравнений Эйнштейна на сегодняшний день», — рассказал Space.com Густав Могул, физик-теоретик из Лондонского университета королевы Марии и соавтор исследования.
Реакция команды на достижение этого прорыва была, по словам Могула, «в основном — удивление, что нам действительно удалось это сделать».
При вычислении энергии, излучаемой в виде гравитационных волн, исследователи обнаружили в уравнениях сложные шестимерные формы, известные как многообразия Калаби–Яу. Эти абстрактные геометрические структуры — визуализируемые как многомерные аналоги поверхностей с дырками (похожих на пончики) — долгое время были основой теории струн, стремящейся объединить квантовую механику и гравитацию. До сих пор они считались исключительно математическими конструкциями, не имеющими проверяемой связи с наблюдаемыми явлениями.
Однако в новом исследовании эти формы впервые возникли в расчётах энергии, излучаемой при пролёте двух чёрных дыр. Это знаменует собой первый случай, когда они появились в контексте, потенциально проверяемом экспериментально.
Могул сравнил это с переходом от увеличительного стекла к микроскопу, позволяющему разглядеть ранее недоступные детали. «Появление таких структур проливает новый свет на математические объекты, из которых построена природа», — отметил он.
Ожидается, что эти открытия значительно улучшат будущие теоретические модели, предназначенные для предсказания сигналов гравитационных волн. Такие усовершенствования будут особенно важны с запуском гравитационно-волновых детекторов следующего поколения, включая планируемую космическую антенну LISA и Европейский телескоп Эйнштейна.
«Улучшение точности необходимо, чтобы не отставать от повышения точности, которое мы ожидаем от новых детекторов», — заключил Могул.
Источник
Уникальность
