Прорыв в компьютерном моделировании двойной системы черных дыр
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"
Обсудить
Статьи по теме
Черные дыры играют сами c собой в смертельный футбол
Когда сталкиваются сверхмассивные черные дыры, представляющие собой ядра соседних галактик, пространство вокруг них буквально трещит по швам, только держись! Мощнейший всплеск гравитационного излучения сообщает всему миру о том, что эти монстры яростно сливаются в одну еще более массивную черную дыру. "Пинок", который эта система получает в момент столкновения, может даже выбить получившуюся в результате черную дыру вон из родной галактики. Новое исследование описывает последствия такого межгалактического столкновения с точки зрения современной теоретической физики.
Прорыв в компьютерном моделировании двойной системы черных дыр
Американским физикам 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. Ожидается, что такая двойная система представляет собой мощный источник гравитационных волн.
Найдена самая массивная двойная звездная система
Приблизительно в 20 тысячах световых лет от Земли найдены две сверхмассивные звезды, которые схватились друг с другом в длительном спарринге, подобно двум тяжеловесным борцам сумо. Они обращаются вокруг общего центра масс с периодом в 3,7 дня, почти касаясь друг друга, поэтому ни о каком спокойствии в этом районе Вселенной и речи быть не может - постоянно высвобождаемая при их взаимодействии энергия дает начало горячим и мощным звездным ветрам.
Квазары порождают новые загадки
Квазары - самые яркие объекты во Вселенной - сформировались в относительно небольших галактиках. Согласно новому исследованию, эти сверхмассивные черные дыры появились вскоре после Большого взрыва и набрали свой вес на удивление быстро - быстрее, чем галактики, окружающие их. Астрономы попытались "вычесть" из общего излучения древнейших источников интенсивный свет их центрального квазара, чтобы непосредственно разглядеть "родительские" галактики, в которых развился тот или иной "монстр".
Гравитационная линза показывает сердце отдаленной галактики
В настоящее время известно уже множество примеров наблюдений галактик, действующих подобно "гравитационным линзам". Лучи света, проходя рядом с ними, отклоняются мощным гравитационным полем. За счет такого "линзирования" на небе появляется несколько дополнительных видимых изображений какого-нибудь отдаленного объекта, расположенного за такой галактикой - например, это может быть яркий квазар. Теперь астрофизики раскрыли важную тайну, связанную с этим феноменом.
Физики доказали, что рукописи не горят
Известный популяризатор науки и специалист по черным дырам Стивен Хокинг на пару с Кипом Торном, по всей видимости, проспорил Джону Прескиллу полное собрание томов Британской энциклопедии. В 1997 году эти три космолога заключили между собой ставшее вскоре широко известным пари относительно того, исчезает или нет информация, поглощаемая черными дырами вместе с материальными носителями, то есть меняется ли вообще внутреннее состояние черной дыры в зависимости от конкретных характеристик частиц, которые ею поглощены.
Обнаружены десятки новых сверхмассивных черных дыр
Европейские астрономы обнаружили сразу три десятка сверхмассивных черных дыр, расположенных в активных ядрах далеких галактик. Это открытие стало возможным благодаря применению нового метода компьютеризованного анализа наблюдательных данных, получившего название Виртуальной Обсерватории.
Взрывающаяся галактика загрязняет Вселенную
Галактика, обозначаемая как M82, когда-то опасно сблизилась со своим соседом, и их "страстные объятия" вылились в серию взрывов и активизацию процессов формирования новых звезд, при этом факелы из раскаленного газа были выброшены на десятки тысяч световых лет в окружающее межгалактическое пространство. Теперь группа британских и американских астрономов сумела рассмотреть эти газовые облака - они выглядят как мощный поток пены, исторгнутый из какого-нибудь пожарного брандспойта.
Галактики, проевшие дырки в космосе, устроили Космический Ренессанс
Астрономы в очередной раз обнаружили наиболее отдаленную галактику из всех, известных на настоящий момент. Она находится от нас на расстоянии приблизительно 13,2 миллиарда световых лет. Излучение от этой галактики, именуемой Abell 1835 IR1916, доносит до нас информацию о Вселенной, которой было только 3 % от ее теперешнего возраста. Этот свет был испущен спустя примерно 470 миллионов лет после Большого взрыва и может рассказать нам о том, как формировались первые галактики после "темных веков", имевших место в истории ранней Вселенной.
Вселенная во власти "темной энергии": новое доказательство
Наблюдения за отдаленными квазарами показывают, что основная часть энергии во Вселенной содержится в форме таинственной "темной энергии". Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере, на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности.
Обвинения в "изменах" с постоянной тонкой структуры пока не сняты
Современные теории, которые призваны объединить эйнштейновскую относительность с квантовой механикой и тем самым решить одну из сверхзадач всей современной физики, привели к шокирующему предсказанию: фундаментальные константы не только могут, но даже обязаны изменяться в пространстве и времени. Однако теперь с помощью исследования спектров отдаленных квазаров удалось наложить строгие ограничения на возможные вариации во времени одной из важнейших физических констант - постоянной тонкой структуры.
Гигантская черная дыра поймана на месте преступления
Гигантская черная дыра в галактике RXJ1242-11, что расположена на расстоянии в миллиард световых лет от Земли, была поймана "на месте преступления" - в тот момент, когда она откусила "бочок" у звезды, похожей на наше Солнце, словно это был какой-нибудь межзвездный гамбургер. Такое явление, по словам астрономов, удалось пронаблюдать впервые. Это укрепило ученых во мнении, что черные дыры на протяжении всего времени существования Вселенной то и дело подобным образом пожирают звезды, и это может быть основным способом увеличения их массы.
Столкновение двух безумных гигантских колес на скорости 10 млн км в час
На этой выразительной фотографии, полученной с помощью космического телескопа "Хаббл", запечатлена пыльная спиральная галактика, которая, вращаясь, проходит через другую большую яркую галактику NGC 1275. Рентгеновское и радиоизлучение с большой вероятностью указывают на наличие черной дыры в центре этой яркой галактики. NGC 1275 находится от нас на расстоянии примерно 235 млн световых лет в созвездии Персея.
Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики быстро вращается
Периодические вспышки в инфракрасном диапазоне в районе этой черной дыры являются свидетельством ее вращения, а новые данные таким образом "возвещают новую эру наблюдательной физики черной дыры и проверки истинности общей теории относительности".
Туманность Полумесяца: смертные муки младенца-тяжеловеса
Рентгеновская космическая обсерватория "Чандра" позволила рассмотреть ужасающую, но по-своему прекрасную сцену суицида молодой звезды HD 192163, расположенной от нас на расстоянии примерно в 5 тысяч световых лет в созвездии Лебедя, - астрономы на снимках отчетливо видят первые признаки назревающего звездного кошмара.
Дыра под космическим Сомбреро
Орбитальный телескоп "Хаббл" обратил свой взор на одну из самых величественных и "фотогеничных" галактик во Вселенной, известную под прозвищем Сомбреро (M104). Отличительный признак этой галактики - светящееся белое выпуклое ядро, окруженное мощными пылевыми зонами.
Микроквазар ворвался в нашу Галактику из соседнего шарового скопления
Астрономы проследили путь нейтронной звезды и ее спутника, звезды-компаньона, вещество которой нейтронная звезда активно поглощает (Скорпион X-1). В настоящее время эта парочка мчится через нашу Галактику, но ученые считают, что она присоединилась к Млечному пути около 30 миллионов лет назад, а до этого была выброшена из удаленного звездного кластера.
Гигантская черная дыра из скопления Персея напевает за ужином
Космическая рентгеновская обсерватория "Чандра" помогла увидеть звуковые волны, исходящие из самого сердца галактического скопления Персея от сверхмассивной черной дыры. Астрофизики уверяют, что "вокальные способности" черных дыр позволят им раскрыть некоторые "жгучие" тайны галактических скоплений, например, откуда в их центрах такое количество горячего газа.
Черных дыр рождается все больше и больше
Это открытие подтверждает давние подозрения астрофизиков насчет того, что действие черных дыр, скрытых от нас, обитающих на нашем так сказать космическом "заднем дворе", является едва ли не определяющим для всей структуры общегалактического "дома", это вовсе не какие-то экзотические древние мастодонты, давно отыгравшие свою роль в те времена, когда галактики только начали формироваться.
Вторая черная дыра в центре Млечного пути поставляет своему "боссу" младенцев на завтрак
Американские астрономы предполагают наличие еще одной черной дыры в самом "сердце" нашего Млечного пути, правда, это черная дыра "всего лишь" среднего веса, масса ее в тысячи, а не в миллионы раз превосходит массу нашего Солнца. Занимается эта "новая" черная дыра тем, что притягивает молодые звезды поближе к своему сверхмассивному партнеру. Открытие может помочь объяснить, каким образом этому монстру удалось так "разжиреть".
Удалось провести самые детальные наблюдения рождения черной дыры
Обнаруженный в глубоком космосе сверхмощный кратковременный выброс энергии, о котором удалось быстро оповестить 33 обсерватории во всем мире, позволил не только получить надежное свидетельство в пользу теории происхождения черных дыр в результате звездных взрывов, но и провести самые детальные на сегодняшний момент наблюдения таинственных явлений, получивших название GRB (всплеск гамма-излучения).
Найдена пара гигантских черных дыр, обреченных слиться в межгалактическом катаклизме
Ядро галактики NGC 6240 представляет собой систему из двух супермассивных коллапсаров, и в будущем ей грозят серьезные потрясения. Это доказали немецкие астрономы из Института внеземной физики имени Макса Планка с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории "Чандра". Открытие подтверждает теории формирования супермассивных черных дыр.
Доказано существование массивной черной дыры в центре Галактики
Группе германских астрономов удалось показать, что в Галактическом центре расположен один-единственный сверхплотный и сверхмассивный объект - не что иное, как черная дыра. Определенность позволили внести наблюдения за движением звезды, которую исследователи условно обозначили как S2.
Ученые нашли "звезду-спринцовку", подражающую черным дырам
Астрономы наблюдали нейтронную звезду Circinus X-1, испускающую струи вещества со скоростью, очень близкой к скорости света. Это самый быстрый поток вещества, когда-либо наблюдаемый от объекта в нашей Галактике, скорость сравнима со скоростью самых быстрых джетов, исторгаемых ядрами других галактик. Однако в тех галактиках струи порождаются сверхмассивными черными дырами, масса которых составляет миллионы и даже миллиарды солнечных масс.
Землю поливают дожди из маленьких черных дыр
Высокоэнергетические космические лучи, вторгающиеся в атмосферу Земли, могут формировать микроскопические черные дыры, заявляют греческие и российские ученые. Ученые считают, что такие черные мини-дыры могли бы помочь объяснить загадочные результаты, полученные датчиками космического излучения в Боливийских Андах и на Памире - речь о так называемых "кентаврах".
"Эффект бабочки": машина времени и Интернет
"Эффект бабочки" прочно ассоциируется не только с фантастической посылкой Эдварда Лоренца, но и с одним из самых знаменитых рассказов Рэя Брэдбери, который посвящен путешествиям во времени. Ученые-компьютерщики из Корнельского университета решили "перекинуть мостик" от атмосферных исследований и машины времени к сегодняшнему миру Интернета, транснациональных корпораций, терроризма и пандемий. Вопрос об "баттерфляй-эффекте" может быть перефразирован тогда следующим образом: "Может ли единственный "мессидж" по электронной почте из Бразилии вызвать поток необратимых событий в штате Техас?"
Королевский астроном, известный фантаст и принц пугают нас приближающимся апокалипсисом
Выдающийся британский ученый считает, что в настоящее время шансы близкого всемирного апокалипсиса стремительно возросли и составляют примерно 50 на 50. Впрочем, как-то сомнительно, что этот довольно пессимистический взгляд на окружающую нас действительность станет основой для букмекерских ставок.
Теория относительности топит субмарины
Бразильский физик решил задачку, "подброшенную" релятивистской теорией, так называемый "парадокс субмарины". Для разбора этого "парадокса" пришлось использовать Общую теорию относительности и включить в решение эффект искривляющих пространство гравитационных сил, получив своеобразный модифицированный релятивистский закон Архимеда.
Впервые удалось измерить скорость гравитации
Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.
Теорию суперструн проверят экспериментально
Теорию суперструн можно проверить экспериментально, изучая последствия Большого взрыва. Такое заявление сделал американский физик Ричард Истэр. До сих пор теория суперструн подвергалась критике как малоосмысленная "философия", которая не может получить экспериментального подтверждения на нынешнем этапе развития науки. Проявить себя теория суперструн может только в случае экстремально малых расстояний и при очень высоких энергиях.
Датчик гравитационных волн уходит под землю
Гравитационные волны - это своего рода "рябь" в пространственно- временном континууме, которая возникает тогда, когда массивные космические тела испытывают ускорение (точнее говоря, гравитационные волны излучаются массами, движущимися с переменным ускорением). Альберт Эйнштейн предположил их существование в рамках своей Общей теории относительности еще в 1915 году. Двигаться гравитационные волны должны были со скоростью света. Однако эти волны очень слабы и их регистрация до сих пор находится на грани технических возможностей.
Астрономы изобрели метод поиска неведомого типа черных дыр-середнячков
Астрономы возможно изобрели новый способ поиска представителей долгожданного "промежуточного" типа черных дыр (с массами, в несколько сотен раз превышающими массу нашего Солнца), что должны заполнить зияющий пробел между "звездными" черными дырами (порядка 10 солнечных масс) и их сверхмассивными "кузенами"-монстрами, обитающими в ядрах галактик.
Новости по теме
