Путешествие сквозь вечность: Как гравитационная волна пролетела через чёрную дыру (впервые смоделировано)
Представьте себе: где-то там, в глубокой тьме космоса, две гигантские чёрные дыры сливаются в одно целое. Или нейтронные звёзды устраивают свой последний танец. Что происходит? Искривляется само пространство-время, и по Вселенной разбегаются едва уловимые, но невероятно мощные волны — гравитационные. Эти космические рябь, словно круги по воде от брошенного камня, несут в себе информацию о самых драматичных событиях во Вселенной. А ведь эти волны могут и на что-то натолкнуться. Например, на одинокую чёрную дыру. Что тогда? Поглотит она эту волну? Или рассеет, отправив дальше? До недавнего времени отследить полный путь такой волны, от её «рождения» где-то в бесконечно далёком прошлом до «смерти» или ухода в бесконечно далёкое будущее, было задачей почти неразрешимой. Но теперь группа исследователей из Новой Зеландии совершила настоящий прорыв!
Когда бесконечность становится реальной
Суть их исследования, опубликованного в авторитетном журнале Physical Review Letters, проста и в то же время поразительна: впервые удалось в одной симуляции «прожить» всю историю гравитационной волны, от её появления в пространстве-времени до момента, когда она окончательно рассеивается, сталкиваясь с чёрной дырой. Учёные из Университета Отаго и Университета Кентербери поставили перед собой цель — понять процесс рассеяния гравитационных волн массивными объектами.
Казалось бы, что тут такого? Моделируй и смотри! Но загвоздка кроется в одном фундаментальном понятии — бесконечности. В общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени, такие «изолированные» системы, как чёрные дыры, существуют в так называемом «асимптотически плоском пространстве-времени». Что это значит? А то, что очень-очень далеко от чёрной дыры пространство становится плоским и пустым, как обычное. Вот эти «очень-очень далеко» и есть те самые нуль-бесконечности — эдакие светоподобные границы нашей Вселенной. Именно оттуда приходят и куда уходят гравитационные волны, если им ничто не мешает.
Представьте, что вы хотите снять фильм о путешествии капли дождя. Но вам нужно показать не только её падение на землю, но и откуда она вообще пришла (из облака, а облако из испарений океана…) и куда она уйдёт после падения (в почву, испарится, вернётся в круговорот воды…). Традиционные компьютерные модели могли «увидеть» лишь конечный, ограниченный участок этого пути. Они словно снимали только падение капли, не зная её предыстории и будущего. Это не давало полного понимания того, как энергия гравитационной волны передаётся чёрной дыре, сколько её поглощается, а сколько продолжает своё путешествие.
«Впервые мы показали, что можно отследить гравитационную волну, движущуюся через искривлённое пространство-время чёрной дыры от бесконечного прошлого до бесконечного будущего», — объясняет доктор Крис Стивенс. А Себенеле Твала, его коллега, добавляет: «Возможность учесть бесконечность позволяет нам с математической точностью вычислить полную энергию и импульс пространства-времени. Это как раз и даёт ответ на вопрос, сколько энергии гравитационной волны досталось чёрной дыре, а сколько ускользнуло в бесконечность». Вот в чём истинная ценность!
Как поймать неуловимую бесконечность?
Как же они это сделали? Это, честно говоря, настоящий математический подвиг! Исследователи использовали хитроумный подход — Обобщённые конформные полевые уравнения Фридриха (GCFE). Думаете, это просто набор сложных букв? Вовсе нет! Этот математический аппарат фактически «перемасштабирует» пространство-время таким образом, что бесконечно удалённые точки становятся… конечными и доступными для расчётов. Это как если бы вы могли взять бесконечную линию и «сжать» её так, чтобы она уместилась на обычном листе бумаги, сохраняя при этом все пропорции и отношения.
Для решения этих уравнений учёные даже разработали собственное программное обеспечение, назвав его COFFEE (не путать с утренним напитком!). С его помощью они смоделировали импульсы гравитационных волн разной силы, которые «сталкивались» с чёрной дырой Шварцшильда — самой простой, но фундаментальной чёрной дырой.
Что рассказала симуляция?
И вот тут началось самое интересное. Моделирование показало, что пространство-время — штука на удивление «жёсткая». Даже при слабой входящей волне лишь около 8,5% её энергии рассеивалось обратно в бесконечность. Остальное? Поглощалось чёрной дырой. А если волна была очень сильной? Всё равно лишь около 20% энергии ускользало. Представляете, какая это мощная «пылесосная» сила у чёрных дыр!
Чтобы убедиться в точности своих расчётов, исследователи измеряли две важные величины на обеих «бесконечностях»: энергию Бонди и величину Бонди-ньюс. Если энергия Бонди — это, по сути, полная энергия на световом конусе, то Бонди-ньюс, как объясняет Себенеле Твала, «просто «приносит весть» о наличии гравитационного излучения. Если она не равна нулю, значит, гравитационное излучение есть». Эти измерения позволили им с феноменальной точностью проверить закон сохранения энергии на протяжении всей симуляции — своего рода «отличный балл» для их методов.
Но это ещё не всё! Учёные заметили и очень любопытные нелинейные эффекты. Несмотря на то что они «впускали» в симуляцию довольно простые волновые паттерны, сложная динамика искривлённого пространства-времени порождала… новые волновые моды! Это называется «обратная реакция» — волны по сути создавали новые волны, распространяясь.
И самое завораживающее: когда исходящее излучение достигало будущей нуль-бесконечности, оно начинало демонстрировать характерные колебания, известные как квазинормальные колебания. Это ни что иное, как естественная частота вибрации самой чёрной дыры — её, если угодно, собственная «песня» или «отпечаток». Учёные обнаружили, что эта частота оставалась неизменной, неважно, насколько сильной была входящая волна или какими были её свойства. Получается, квазинормальные колебания зависят только от самой чёрной дыры. Это её уникальный акустический автограф!
Зачем всё это нужно? И что дальше?
«Наличие данных на обеих бесконечностях впервые позволяет строго утверждать, что именно вошло и что вышло», — подчёркивает доктор Стивенс. Это, по его словам, «начинает давать ответы на вопросы о том, как чёрные дыры рассеивают гравитационные волны, сколько энергии поглощается чёрной дырой и сколько излучается».
А вы знали, что это крайне важно для современной астрономии? Ведь такие обсерватории, как LIGO, постоянно регистрируют гравитационные волны, исходящие от слияний чёрных дыр или нейтронных звёзд. Понимание того, как эти волны взаимодействуют с другими чёрными дырами, не только позволяет нам лучше интерпретировать то, что мы видим в космосе, но и даёт ключ к более глубокому постижению самой природы гравитации.
Конечно, научный путь никогда не бывает идеально гладким. Учёные признают, что их текущий метод имеет один нюанс: начальная волна не устанавливается непосредственно на прошлой нуль-бесконечности. «Было бы идеально иметь возможность устанавливать входящую волну напрямую, а затем развивать её до будущей нуль-бесконечности», — говорит профессор Фрауэндинер.
Но это уже планы на будущее. Пока же исследователи намерены сосредоточиться на изучении общих свойств проблемы рассеяния, не углубляясь в более сложные сценарии. Это значит, что нас ждут новые, ещё более захватывающие открытия в области чёрных дыр и гравитационных волн. Ведь космос, как и наука, всегда таит в себе бесконечное количество загадок, ожидающих своих исследователей!