Предложен новый метод визуализации искривленного пространства-времени

Группа физиков из Калифорнийского технологического института разработала новую систему визуализации искривления пространства-времени рядом с чёрными дырами. С её помощью учёные рассчитывают выяснить причины целого ряда космических явлений, среди которых — излучение гравитационных волн и слияние чёрных дыр

В рамках Гинзбурговской конференции по физике, проходившей в Физическом институте им. П.Н. Лебедева летом этого года, знаменитый американский физик-теоретик, заслуженный профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн представил свой взгляд на современное состояние исследований чёрных дыр и на перспективы этого направления науки. Главным тезисом выступления стала идея о том, что мы стоим на пороге нового «золотого века» в изучении чёрных дыр. Такой оптимизм Торн объяснил значительным прогрессом, который в последнее время наблюдается в разработке двух важных инструментов для изучения динамического поведения искривлённого пространства-времени вблизи чёрных дыр. Первый из них — численное моделирование процессов, происходящих в чёрных дырах, — появился ещё в 1960-х годах, но активное развитие получил в последние семь лет. Таким численным моделированием сейчас занимается целый ряд исследовательских коллективов в Америке и Европе. Второй инструмент, разработка которого также началась в 1960-х годах, — детектирование гравитационных волн и связанное с этим наблюдение столкновений и слияний чёрных дыр. С использованием этих инструментов связана и представленная Торном работа, которую его группа в Калифорнийском технологическом институте проводит с коллегами из других научных организаций.

Согласно Общей теории относительности, пространство-время искривляется вблизи вращающихся массивных тел, в частности, вблизи чёрных дыр. Хотя это явление хорошо известно физикам и было доказано спутниковыми наблюдениями в 1990-х годах, его очень сложно представить наглядно, из-за того что каждая точка пространства-времени характеризуется десятью различными параметрами. Группа Торна предложила сравнительно простую модель, раскрывающую суть процесса искривления. Учёные обозначили параметры векторами, которые, сливаясь, образуют протяжённые линии.

Комментирует профессор Кип Торн: «В основе предложенного нами метода — линии двух типов, представляющие ключевые аспекты искривлённого пространства-времени.

Мы назвали их линиями «растяжения» (tendex lines) и вихревыми линиями (vortex lines). Линии, подобно тому, как в электромагнетизме изменения в электрическом и магнитном полях обозначаются силовыми линиями, отражают, соответственно, «приливную» гравитацию и, так называемый, эффект увлечения инерциальных систем отсчёта. Этот эффект заключается в том, что вращающийся массивный объект «тянет» пространство-время в направлении своего вращения. Иными словами, в вихревых линиях воплощены эффекты «скручивания» в искривлённом пространстве-времени, похожие на те, что действуют при отжимании полотенца. Линии «растяжения» показывают, как следует из названия, силы растяжения и сжимания, которые могут дробить и разрушать объекты рядом с чёрными дырами».

Предложенная система визуализации поможет по-новому взглянуть на огромный массив данных, полученных с помощью компьютерного моделирования. Наиболее перспективный способ исследования геометродинамики на сегодняшний день — это численное моделирование столкновений и слияний парных чёрных дыр.

С помощью нового метода физики, в частности, рассчитывают выяснить, почему при столкновениях происходит направлен-ный выброс гравитационных волн — зачастую сильный настолько, что чёрная дыра оказывается вне галактики, в которой она зародилась. Предполагается, что асимметрия выброса гравитационных волн порождается взаимодействием линий «растяжения» и вихревых линий. В ходе моделирования было установлено, что эффекты, порождаемые линиями двух типов, уравновешивались с одной стороны чёрной дыры, но усиливали друг друга, порождая значительный поток гравитационных волн с другой.

Кроме того, физики рассчитывают, что новая технология поможет определить свойства гравитационных волн и, следовательно, обнаружить сами волны среди массива данных, которые поступают в гравитационно-волновые обсерватории. По мнению Кипа Торна, кульминация «золотого века» исследований чёрных дыр наступит тогда, когда эти обсерватории смогут исследовать выявленные нелинейные структуры и другие аспекты нелинейной динамики искривлённого пространства-времени.

/23.10.2012/  По материалам АНИ "ФИАН-Информ"