Как „танцуват” сливащи се черни дупки?

Международен екип физици за първи път успяха да решат уравнения, описващи движението на двойка черни дупки по време на сливане.

Това ще помогне на учените да разберат как ще се зараждат гравитационните вълни в хода на този процес и как може те да се „уловят“, става ясно от статия, публикувана в сп. Physical Review Letters.

„Ускорението на заредените частици, такива като електрони, се съпровожда с отделянето на някаква форма електромагнитно лъчение, включително и видима светлина. По подобен начин, ако се опитате да ускорите масата, то ще създадете гравитационни вълни“, разказва Майкъл Кесден от Тексаския университет в Далас (САЩ).

Кесден и колегите му решили една от главните физически и математически загадки на съвременната наука. Неговият научен екип успял да намери решение за уравненията, описващи процеса на сближаване и сливане на черни дупки, който днес се смята за основен механизъм на образуването на гигантски свръхмасивни черни дупки с милиони слънчеви маси, обитаващи центровете на всички галактики.

В съответствие с общата теория на относителността на Айнщайн при сближаване на черни дупки те започват толкова силно да си взаимодействат, че гравитационният им „танц“ ще поражда мощни гравитационни вълни, изкривяващи структурата на пространство-времето.

За формирането на тези вълни се изразходва енергия, в резултат на което черните дупки постепенно ще се сближават и в крайна сметка ще се сблъскат в хода на един от „най-енергоемките“ процеси във Вселената.

Както отбелязва Кесден, физичните формули, описващи този процес, са известни на космолозите от почти две десетилетия, но тяхното математическо решение до този момент оставало загадка за физиците и математиците.

Научният екип на Кесден успял да ги реши за така наречените черни дупки на Кер, отличителна черта на които е това, че те не стоят на място, а се въртят и не са заредени електрически.

Авторите на статията успели да установят три различни ситуации, при които черните дупки ще се държат и въртят различно, в зависимост от техните маси, други физични свойства и разстоянието между обектите.

Използвайки тези решения, екипът на Кесден съставил свой собствен комплекс от уравнения, които позволяват на физиците да определят положението на черните дупки и предсказват характера на тяхното движение значително по-бързо.

„Можем да изчислим тези параметри милион пъти по-бързо, отколкото беше възможно по-рано. Използвайки нашите уравнения, може да създадем компютърни модели, които да ни помогнат да проследим еволюцията на системите от черни дупки в продължение на милиарди години.

Симулациите, които преди биха продължили с години, сега могат да се изчислят за секунди. Скоростта не е единственият плюс на нашите формули – моделите на тяхна база могат да ни разкрият неща, които не можем да разберем по никакъв друг начин“, продължава физикът.

По думите му изчисленията и формулите на екипа му ще помогнат на колаборацията LIGO и други наземни и космически проекти по търсене на гравитационни вълни, такива като eLISA, Virgo и GEO600, да подобрят точността на инструментите, което значително ще повиши шансовете им за откриването на такива колебания.