Гравитационные волны и черные дыры: полный путь от прошлого к будущему?

Гравитационные волны — это рябь пространства-времени, возникающая при катастрофических событиях, таких как слияние черных дыр или нейтронных звёзд. Когда такая волна достигает массивного объекта, например чёрной дыры, она рассеивается: часть энергии поглощается, а часть уходит в космос. Однако до сих пор не существовало полного моделирования, которое бы охватывало весь путь волны — от её зарождения в далёком прошлом до окончательного рассеяния в бесконечном будущем.

Традиционные симуляции ограничивались конечными областями пространства-времени, что не позволяло увидеть полную картину. Главная проблема заключалась в математической сложности учёта бесконечно удалённых областей — так называемых нулевых бесконечностей. Это условные границы Вселенной, где гравитационные волны можно рассматривать как приходящие из бесконечного прошлого (прошлая нулевая бесконечность) или уходящие в бесконечное будущее (будущая нулевая бесконечность).

Исследователи под руководством профессора Йорга Фрауендинера разработали метод, который позволяет «сжать» бесконечность в конечную вычислительную область. Для этого они использовали обобщённые конформные уравнения поля Фридриха (GCFE) — математический аппарат, преобразующий бесконечные расстояния в удобную для расчётов форму.

Что происходит, когда гравитационная волна сталкивается с чёрной дырой?

С помощью специального программного пакета COFFEE (COnFormal Field Equation Evolver) учёные смоделировали взаимодействие гравитационных волн с чёрной дырой Шварцшильда (не вращающейся чёрной дырой). Они рассмотрели волны разной амплитуды и изучили, какая часть их энергии поглощается дырой, а какая рассеивается обратно в космос.

Результаты оказались удивительными:

Для слабых волн лишь около 8,5% энергии отражалось обратно, остальное поглощалось чёрной дырой.

Для сильных волн доля рассеянной энергии возрастала, но не превышала 20%.

Это означает, что чёрные дыры — крайне «эффективные поглотители» гравитационных волн. Даже мощные возмущения пространства-времени почти полностью затягиваются их гравитацией.

Ключевым инструментом анализа стали энергия Бонди и новости Бонди — величины, описывающие гравитационное излучение на бесконечности. «Новости Бонди» показывают, есть ли вообще гравитационные волны, а энергия Бонди позволяет точно измерить, сколько энергии уносится из системы.

Неожиданные эффекты: квазинормальный звон и нелинейные волны.

Один из самых интригующих результатов моделирования — обнаружение квазинормального звона чёрной дыры. Это затухающие колебания пространства-времени, возникающие после того, как гравитационная волна проходит через дыру. Частота этих колебаний зависит только от свойств самой чёрной дыры (её массы и момента импульса), а не от характеристик исходной волны.

Кроме того, учёные обнаружили нелинейные эффекты: даже если входящая волна была простой, искривлённое пространство-время чёрной дыры порождало дополнительные волновые моды. Это означает, что гравитационные волны могут «самовозбуждаться», создавая новые возмущения по мере распространения.

Почему это важно для астрономии?

Исследование имеет прямое отношение к современным гравитационно-волновым обсерваториям, таким как LIGO и Virgo. Эти детекторы регистрируют волны от слияния чёрных дыр, но до сих пор не было полного понимания, как именно эти волны взаимодействуют с другими чёрными дырами на своём пути.

Новый метод позволяет точно определить, какая часть энергии волны поглощается, а какая рассеивается. Это важно для интерпретации данных наблюдений и понимания эволюции двойных систем черных дыр.

Что дальше?

Несмотря на успех, перед учёными остаются открытые вопросы. Главная проблема — настройка входящей волны непосредственно на прошлой нулевой бесконечности. Сейчас волна задаётся на конечном расстоянии, что не идеально. В будущем исследователи планируют усовершенствовать метод, чтобы еще точнее моделировать глобальные свойства рассеяния.

Эта работа открывает новые горизонты в изучении гравитационных волн и черных дыр. Впервые учёные смогли проследить полный путь волны через искривлённое пространство-время — от её зарождения в бесконечном прошлом до исчезновения в бесконечном будущем. И это лишь начало.

По материалам: https://ab-news.ru/gravitaczio...

В.К. Чем хороша математика, так это тем, что с её помощью можно создать модель любой абстракции, правильно задав начальные условия, нацелившись на правильный же конечный результат. Раз доктор сказал - с морг, значит - в морг. Поэтому, раз доктор сказал, что пространство кривое и общепринято в парадигме "большого взрыва", значит оно кривое.

Правда, поскольку математика является лишь инструментом обработки абстракций наших предпочтений, а мы и, соответственно, наши предпочтения, всё-таки, являемся реальностью, математика, где-то в промежуточных результатах, выдаёт нечто такое, что может привести к "не ожидаемым" результатам. Но это ничего, можно всегда сказать, что мы где-то неверно построили функционал и, правильно его построив, прийти к правильному же результату.

И вот, кому интересны такие приёмы, можете ознакомиться со следующим материалом, на который я дам только намёк.

Физики нашли источник противоречий в квантовых расчётах расширяющейся Вселенной?

Коллектив физиков-теоретиков из МФТИ, НИЦ «Курчатовский институт» — ИТЭФ и ИППИ РАН поставил точку в давнем споре о том, как правильно «считать» частицы, рождающиеся из вакуума в расширяющихся просторах космоса. Их работа не просто вскрывает корни кажущегося противоречия между двумя фундаментальными методами квантовой теории, но и открывает дорогу к более точному пониманию самых ранних и самых бурных эпох в жизни нашей Вселенной.

Иллюстрация концепции преобразований Боголюбова. Слева: стилизованная комната, символизирующая начальное состояние вакуума, на которую смотрят через первую пару «очков» – это «in-состояние». Комната выглядит относительно пустой или содержит лишь фоновые флуктуации. Справа та же комната, но уже после «расширения» (изменения фона), и на неё смотрят через вторую, другую пару «очков» – это «out-состояние». В этой «картинке» появляются новые отчётливые объекты, символизирующие родившиеся частицы. Стрелка, соединяющая два изображения, может быть подписана коэффициентами Боголюбова (например, α и β), иллюстрируя, что именно это математическое преобразование описывает переход от одного видения вакуума к другому и количественно определяет «разницу» – то есть число возникших частиц / Сгенерировано с помощью GPT-4o, который управляет взаимодействием с моделью DALL·E 3 внутри Chat GPT на сайте https://chatgpt.com/ .

Исследование получило поддержку Российского научного фонда и опубликовано в журнале Physics Letters B. В величественной драме существования Вселенной одним из самых загадочных актов является рождение материи из, казалось бы, абсолютной пустоты – вакуума. Однако квантовая механика давно научила нас, что вакуум – это вовсе не пассивное «ничто», а скорее бурлящий океан виртуальных частиц, появляющихся и исчезающих в мгновение ока. Если же этот вакуум подвергнуть воздействию достаточно мощных полей, например, гравитационного поля стремительно расширяющейся ранней Вселенной, то некоторые из этих мимолётных призраков могут обрести реальность, превратившись в полноценные частицы.

...

(И вот ещё одна картинка, чтобы стало понятней, о чём идёт речь. В.К.)

Иллюстрация концепции множественности путей между двумя событиями в пространстве-времени. Точка А (зелёная) символизирует начальное событие, происходящее в момент времени tA (обозначено зелёными часами), а точка B (розовая) – конечное событие в момент времени tB (красные часы). От А к B ведут многочисленные, причудливо изгибающиеся темно-бордовые линии со стрелками. Каждая такая линия представляет собой одну из всех мыслимых траекторий, по которым система могла бы эволюционировать из начального состояния в конечное. Это изображение подготавливает к пониманию фундаментальных принципов, таких как принцип наименьшего действия или концепция фейнмановских интегралов по траекториям, где рассматриваются все возможные ‘истории’ системы / © Markus Pössel, The sum over all possibilities: The path integral formulation of quantum theory in: Einstein Online Band 02 (2006), 02-1020.

...

Источник: https://naked-science.ru/artic...

В.К. В общем, развлекайтесь. Своё же мнение на всё это, если оно кого-то интересует, я уже высказывал ранее неоднократно. Поэтому нет необходимости повторяться.