О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Украина | Свидетели Иеговы
Читайте нас:
Доступное в России зеркало Граней: https://grani-ru-org.appspot.com/Society/Science/m.71591.html

статья Прорыв в компьютерном моделировании двойной системы черных дыр

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 31.05.2004
Реклама

Двойная система черных дыр. Черные сферы обозначают поверхность так называемого "горизонта событий" черных дыр, при пересечении которого любое вещество и излучение становятся полностью невидимыми для окружающего мира. Разноцветная плоскость отражает меру искажения пространственно-временного континуума.
Изображение: Bruegmann, Tichy, Jansen

Ученым из Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University - Penn State) удалось получить важный промежуточный результат в решении одной из фундаментальных и до сих пор нерешенных проблем Общей теории относительности - речь о моделировании поведения двух черных дыр, движущихся по спиралевидным орбитам вокруг общего центра масс (соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review Letters). Ожидается, что такая двойная система представляет собой мощный источник гравитационных волн, за счет которых происходит потеря орбитального момента (именно по этой причине подобные системы черных дыр и вызывают повышенный интерес у современных исследователей). "Мы впервые нашли способ смоделировать в цифровом виде одну из двух орбит падающих друг на друга по спирали черных дыр", - говорит Бернд Бругманн (Bernd Bruegmann) из Института гравитационной физики и геометрии (Institute for Gravitational Physics and Geometry) при Университете штата Пенсильвания.

Существование черных дыр следует из эйнштейновской Общей теории относительности, которая посвящена главным образом описанию гравитационных взаимодействий. Однако уравнения Эйнштейна достаточно сложны для того, чтобы их можно было решить в подобных случаях - на настоящий момент этого не удалось сделать даже в приближенном виде. Кроме того, с черными дырами связаны и некоторые дополнительные специфические проблемы - ведь внутри них заключены пространственно-временные сингулярности. Любой объект, оказавшийся достаточно близко к черной дыре, будет неизбежно притянут к ее центру без малейшего шанса избежать своей участи, при этом испытываемые им гравитационные силы столь велики, что он будет разорван в клочья, "не доходя до кассы".

Общая теория относительности, созданная еще в 1915 году, до сих пор остается одним из наиболее точных описаний гравитационных взаимодействий. В случае обыденной жизни и для большинства астрономических наблюдений нашей Солнечной системы ОТО ограничивается добавлением малоощутимых исправлений к своей предшественнице, теории гравитации Ньютона. Закон Ньютона дает, например, эллипсы Кеплера при движении планет вокруг Солнца, что является решением задачи гравитационного взаимодействия двух тел с точки зрения классической физики.

Однако в теории гравитации Эйнштейна движение планет по их орбитам порождает гравитационные волны, которые уносят часть энергии, при этом устойчивые эллиптические орбиты Кеплера превращаются в медленно распадающиеся спиралеобразные. Это важное предсказание Общей теории относительности не создает больших проблем, если движения рассматриваемых небесных тел можно не считать релятивистскими. Но в случае чрезвычайно мощных или динамичных гравитационных полей (пример такого рода и представляют собой две сливающиеся черный дыры) высвобождается огромное количество гравитационной радиации, это и требуется учитывать.

"Даже отдельная черная дыра с трудом поддается численному моделированию, - говорит Бругманн, - еще сложнее описать поведение двух таких монстров на заключительных этапах их сближения по спирали из-за нелинейных динамических эффектов (как это следует из теории Эйнштейна)". Компьютерное моделирование двойных систем черных дыр не дает устойчивых решений и вызывает крах за конечное время, которое обыкновенно не превышает периода обращения по орбите (впрочем, моделированию уже вполне поддаются более "грубые" эффекты и общий ход процесса, и соответствующий амбициозный международный проект получил выразительное наименование Большой вызов - Grand Challenge).

"Техника, которую мы развили, базируется на координатной сетке, привязанной к черным дырам таким образом, что это минимизирует их взаимные движения и возникающие при этом искажения, позволяя выиграть время, достаточное, чтобы "завершить" одно спиралеобразное обращение одного объекта вокруг другого и избежать обычной в таком случае "аварии" компьютерного моделирования", - поясняет Бругманн. Он предлагает очень простую аналогию: "Если вы снаружи смотрите на вращающуюся карусель и хотите отследить движения одного человека, приходится изрядно вращать головой, чтобы не потерять его из виду, пока он кружится. Но если сесть на саму карусель, то достаточно смотреть только в одном направлении, потому что тот человек теперь уже не перемещается относительно вас, хотя оба вы продолжаете нарезать круги на карусели" (речь, судя по всему, идет о поисках наиболее удачной системы отсчета).

Исследователям также пришлось добавить в рассмотрение механизм обратной связи, чтобы таким образом отражать возникающие динамические изменения, учитывающие эволюционные изменения черных дыр. В результате получается довольно сложная система, которая фактически описывает поведение двух черных дыр на протяжении приблизительно одного орбитального периода спиралеобразного движения.

На иллюстрации:
Двойная система черных дыр. Черные сферы обозначают поверхность так называемого "горизонта событий" черных дыр, при пересечении которого любое вещество и излучение становятся полностью невидимыми для окружающего мира. Разноцветная плоскость отражает меру искажения пространственно-временного континуума.
Изображение: Bruegmann, Tichy, Jansen

Источник:
Making Black Holes Go 'Round on the Computer - Pennsylvania State University

Ссылки:
Ученые моделируют столкновения черных дыр
Ученые пытаются найти пути для того, чтобы засечь гравитационные волны, вызванные слияниями черных дыр
Вселенная в компьютере - "Астронет"

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 31.05.2004


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама



Выбор читателей