Ученые НАСА достигли прорыва в компьютерном моделировании, которое позволяет им смоделировать, как выглядят гравитационные волны от слияния черных дыр. Трехмерное моделирование, крупнейшие астрофизические расчеты, когда-либо проводившиеся на суперкомпьютере НАСА, обеспечивают основу для исследования Вселенной совершенно новым способом.
Согласно математике Эйнштейна, когда сливаются две массивные черные дыры, все пространство трясется, как миска с желе, поскольку гравитационные волны разбегаются от столкновения со скоростью света.
Предыдущие симуляции страдали от компьютерных сбоев. Необходимые уравнения, основанные на общей теории относительности Эйнштейна, были слишком сложными. Но ученые из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, нашли способ перевести математику Эйнштейна так, чтобы ее могли понять компьютеры.
"Эти слияния, безусловно, являются самыми мощными событиями, происходящими во Вселенной, при этом каждое из них генерирует больше энергии, чем все звезды во Вселенной вместе взятые. Теперь у нас есть реалистичные симуляции, чтобы направлять детекторы гравитационных волн, подключающиеся к сети", - сказала Джоан Сентелла, глава Лаборатории гравитационной астрофизики Годдарда.
Моделирование проводилось на суперкомпьютере Columbia в Исследовательском центре Эймса НАСА недалеко от Маунтин-Вью, Калифорния. Эта работа опубликована в выпуске Physical Review Letters от 26 марта и появится в следующем выпуске Physical Review D. автор Джон Бейкер из Годдарда.
Подобно ряби на пруду, гравитационные волны - это рябь в пространстве и времени, четырехмерное понятие, которое Эйнштейн назвал пространством-временем. Они еще не были обнаружены напрямую.
Гравитационные волны почти не взаимодействуют с материей и, таким образом, могут проникать сквозь пыль и газ, которые блокируют наше представление о черных дырах и других объектах. Они открывают новое окно для исследования Вселенной и обеспечивают точную проверку общей теории относительности Эйнштейна. Наземная лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория Национального научного фонда и предлагаемая космическая антенна с лазерным интерферометром, совместный проект НАСА и Европейского космического агентства, надеются обнаружить эти тонкие волны, которые изменят форму человека с головы до ног. намного меньше ширины атома.
Слияния черных дыр производят обильные гравитационные волны, иногда в течение многих лет, когда черные дыры приближаются друг к другу и сталкиваются. Черные дыры - это регионы, где гравитация настолько велика, что ничто, даже свет, не может избежать их притяжения. Они изменяют пространство-время. В этом сложность создания моделей черных дыр: пространство и время сдвигаются, плотность становится бесконечной, а время может остановиться. Такие переменные вызывают сбой компьютерного моделирования.
Эти массивные сталкивающиеся объекты производят гравитационные волны разной длины и силы, в зависимости от вовлеченных масс. Команда Годдарда усовершенствовала моделирование слияния невращающихся черных дыр равной массы, начиная с различных позиций, соответствующих последним двум-пяти орбитам перед их слиянием.
При каждом запуске симуляции, независимо от начальной точки, черные дыры вращались стабильно и создавали идентичные волны во время столкновения и после него. Это беспрецедентное сочетание стабильности и воспроизводимости убедило ученых в том, что моделирование соответствует уравнениям Эйнштейна. С тех пор команда перешла к моделированию слияния черных дыр с разной массой.
Общая теория относительности Эйнштейна использует тип математики, называемый тензорным исчислением, который нелегко превратить в компьютерные инструкции. Уравнения нужно переводить, что значительно их расширяет. Для простейших уравнений тензорного исчисления требуются тысячи строк компьютерного кода. Расширения, называемые формулировками, могут быть записаны разными способами. С помощью математической интуиции команда Годдарда нашла подходящие формулировки, которые привели к подходящему моделированию.
Прогресс также был достигнут независимо несколькими группами, в том числе исследователями из Центра гравитационно-волновой астрономии Техасского университета в Браунсвилле, который поддерживается Исследовательской и образовательной программой Университета меньшинств НАСА.