Πιστωτική εικόνα: Penn State
Οι επιστήμονες στο Penn State έχουν φτάσει σε ένα νέο ορόσημο στην προσπάθεια να μοντελοποιήσουν δύο μαύρες τρύπες σε τροχιά, ένα γεγονός που αναμένεται να δημιουργήσει ισχυρά κύματα βαρύτητας. «Ανακαλύψαμε έναν τρόπο να μοντελοποιήσουμε αριθμητικά, για πρώτη φορά, μια τροχιά από δύο εμπνευσμένες μαύρες τρύπες», λέει ο Bernd Bruegmann, Αναπληρωτής Καθηγητής Φυσικής και ερευνητής στο Ινστιτούτο Βαρυτικής Φυσικής και Γεωμετρίας του Penn State. Η έρευνα του Bruegmann αποτελεί μέρος μιας παγκόσμιας προσπάθειας για να πιάσει το πρώτο κύμα βαρύτητας κατά την κύλιση πάνω από τη Γη.
Ένα έγγραφο που περιγράφει αυτές τις προσομοιώσεις θα δημοσιευθεί στο τεύχος 28 Μαΐου 2004 του περιοδικού Physical Review Letters. Η εφημερίδα είναι συγγραφέα από τον Bruegmann και δύο μεταδιδακτορικούς μελετητές στην ομάδα του στο Penn State, τη Nina Jansen και τον Wolfgang Tichy.
Οι μαύρες τρύπες περιγράφονται από τη θεωρία γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία δίνει μια πολύ ακριβή περιγραφή της βαρυτικής αλληλεπίδρασης. Ωστόσο, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν είναι περίπλοκες και είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιλυθούν ακόμη και αριθμητικά. Επιπλέον, οι μαύρες τρύπες δημιουργούν τα δικά τους προβλήματα. Μέσα σε κάθε μαύρη τρύπα κρύβεται αυτό που είναι γνωστό ως χωροχρονικότητα. Οποιοδήποτε αντικείμενο έρχεται πολύ κοντά θα τραβηχτεί στο κέντρο της μαύρης τρύπας χωρίς καμία πιθανότητα να ξεφύγει ξανά, και θα βιώσει τεράστιες βαρυτικές δυνάμεις που το χωρίζουν.
«Όταν μοντελοποιούμε αυτές τις ακραίες συνθήκες στον υπολογιστή, διαπιστώνουμε ότι οι μαύρες τρύπες θέλουν να καταβροχθίσουν και να διαλύσουν το αριθμητικό πλέγμα σημείων που χρησιμοποιούμε για να προσεγγίσουμε τις μαύρες τρύπες», λέει ο Bruegmann. «Μια μονή μαύρη τρύπα είναι ήδη δύσκολο να μοντελοποιηθεί, αλλά δύο μαύρες τρύπες στα τελικά στάδια της έμπνευσής τους είναι πολύ πιο δύσκολες λόγω της εξαιρετικά μη γραμμικής δυναμικής της θεωρίας του Αϊνστάιν». Οι προσομοιώσεις υπολογιστών των δυαδικών μαύρων τρυπών τείνουν να είναι ασταθείς και να συντρίβουν μετά από έναν πεπερασμένο χρόνο, ο οποίος ήταν σημαντικά μικρότερος από τον απαιτούμενο χρόνο για μία τροχιά.
«Η τεχνική που έχουμε αναπτύξει βασίζεται σε ένα πλέγμα που κινείται μαζί με τις μαύρες τρύπες, ελαχιστοποιώντας την κίνηση και την παραμόρφωση τους, και μας αγοράζει αρκετό χρόνο για να ολοκληρώσουν μια σπειροειδή τροχιά μεταξύ τους πριν από τη διακοπή της προσομοίωσης του υπολογιστή», λέει ο Bruegmann. Προσφέρει μια αναλογία για να απεικονίσει τη στρατηγική «co-moving grid»: «Αν στέκεστε έξω από ένα καρουσέλ και θέλετε να παρακολουθήσετε ένα άτομο, πρέπει να συνεχίσετε να κουνάτε το κεφάλι σας για να τον παρακολουθείτε καθώς αυτός περιβάλλει. Αλλά αν στέκεστε πάνω στο καρουσέλ, πρέπει να κοιτάξετε προς μία μόνο κατεύθυνση, διότι αυτό το άτομο δεν κινείται πλέον σε σχέση με εσάς, παρόλο που και οι δύο πηγαίνετε σε κύκλους. "
Η κατασκευή ενός κινούμενου πλέγματος είναι μια σημαντική καινοτομία του έργου του Bruegmann. Αν και δεν είναι μια νέα ιδέα για τους φυσικούς, είναι μια πρόκληση να το κάνει να λειτουργεί με δύο μαύρες τρύπες. Οι ερευνητές πρόσθεσαν επίσης έναν μηχανισμό ανατροφοδότησης για να κάνουν προσαρμογές δυναμικά καθώς εξελίσσονται οι μαύρες τρύπες. Το αποτέλεσμα είναι ένα περίπλοκο σχήμα που λειτουργεί πραγματικά για δύο μαύρες τρύπες για περίπου μία τροχιά της σπειροειδούς κίνησης.
«Ενώ η μοντελοποίηση των αλληλεπιδράσεων των μαύρων τρυπών και των βαρυτικών κυμάτων είναι ένα πολύ δύσκολο έργο, το αποτέλεσμα του καθηγητή Bruegmann δίνει μια καλή εικόνα για το πώς μπορούμε τελικά να επιτύχουμε σε αυτήν την προσπάθεια προσομοίωσης», λέει ο Richard Matzner, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν και κύριος ερευνητής του η πρώην Binary Black Hole Grand Challenge Alliance του Εθνικού Επιστημονικού Ιδρύματος που έθεσε μεγάλο μέρος της βάσης για την αριθμητική σχετικότητα στη δεκαετία του '90.
Ο Abhay Ashtekar, Καθηγητής Φυσικής του Eberly και Διευθυντής του Ινστιτούτου Βαρυτικής Φυσικής και Γεωμετρίας, προσθέτει: «Η πρόσφατη προσομοίωση της ομάδας του καθηγητή Bruegmann είναι ένα ορόσημο επειδή ανοίγει την πόρτα για την πραγματοποίηση αριθμητικής ανάλυσης μιας ποικιλίας συγκρούσεων μαύρων οπών που είναι μεταξύ τα πιο ενδιαφέροντα γεγονότα για την αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων. "
Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από επιχορηγήσεις από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, συμπεριλαμβανομένου ενός στο Frontier Center for Gravitational Wave Physics που ιδρύθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών στο Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων Penn State
