Нова компютърна симулация моделира по най-съвършеният до този момент начин вълните в пространство-времето, които се образуват при сливането на две черни дупки. “Отпечатъците” от тази симулация трябва да помогнат на учените в бъдеще при идентифицирането на вълните от бъдещите гравитационни детектори.

Според теорията на Айнщайн гравитационните вълни променят тъканта на пространство-времето когато две черни дупки се движат една срещу друга и евентуално се слеят. Такива вълни все още не са пряко наблюдавани, но учените се опитват да симулират процеса, за да си представят по-точно какъв сигнал трябва да търсят.

Черните дупки започват да излъчват мощни гравитационни вълни, докато спирално се приближават една към друга. (снимка: Henze/NASA)

Сигналите, които учените наричат “вълнови форми”, приемат различна структура в зависимост от много фактори, като например честота, с която двете черни дупки обикалят една около друга; техните относителни маси, както и спинът им. Моделирането на сливането им обаче не е никак прост процес, тъй като трябва да се вземат предвид всички постулати на теорията за относителността на Айнщайн.

“Отдавна учените се опитват да моделират процеса на сливането на черни дупки, като се отчита точно Теорията за относителността”, казва Дейвид Мерит, астрофизик от Rochester Institute of Technology в Ню Йорк пред New Scientist. Джон Бейкър от Goddard Space Flight Center на НАСА се съгласява с този коментар и допълва: “Проблемът идва от това, че уравненията на Айнщайн не предлагат “чисто и единствено” решение. Т.е. имаме право да изберем, по какъв начин да опишем даден процес, когато се изправим пред него.”
Някои от тези пътища за описание довеждат до сриване на компютърните програми, защото подобната на решетка система, с която се описва пространство-времето става “тотално изкривена – някои от линиите се наслагват една върху друга по невъзможен начин”, казва Бейкър.

Няколко групи учени – в това число и тази на Бейкър – са достигнали до метод, по който да избират координатните системи така, че да се изключва възможността за “оплитане на конците”. Бейкър и неговите колеги са извършили най-детайлната до този момент симулация на сливането на черни дупки, която дава вярна представа за самия процес и “вълновите форми”.

Симулацията разглежда две черни дупки с еднакви маси – всяка надвишаваща 500 000 пъти масата на нашето Слънце. Двете черни дупки се завъртат една около друга, но не и около собствените си оси. Разгледани са случаите, при които преди да се слеят, двете се завъртат 1,5 и 4,5 пъти една около друга. Последната “смъртоносна” спирала би отнела само около един час реално време, но за симулирането й са били впрегнати 2000 процесора на суперкомпютърът на НАСА “Columbia”, а времето за приключване на моделирането е отнело няколко дни. Видеото на симулацията може да изтеглите от тук (7634kB).

Симулацията разглежда на практика един от много редките случаи, но все пак резултатите от нея са достоверни. В реални условия двете черни дупки се предполага, че ще се въртят около собствените си оси. Освен това те ще са и с различни маси, но математическото представяне на тези характеристики би било твърде сложен процес, пояснява Бейкър.

Симулация на вълните в пространство-времето, предизвикани от сливането на две черни дупки. (снимка: Henze/NASA)

Двойката, обикалящи една около друга черни дупки, би могла да се опише с десетина основни параметри – в това число масите им, спинът, посоката, в която се въртят. Ако се симулират всички възможни комбинации от тези данни, ще разполагаме с всички “шаблони”, по които се случва реалният процес, казва още Бейкър.

"Много е трудно да се засекат гравитационните вълни”, казва Дейвид Мерит. “Затова, ако предварително имаме представа за “шаблона” на вълновата структура, ще е по-лесно да я търсим сред събраните данни.”

Големите черни дупки, които обикалят относително бавно една около друга, биха могли да се открият с помощта на космически обсерватории, като например LISA (Laser Interferometer Space Antenna). По-малките и значително по-бързо въртящи се черни дупки биха могли да се засекат от наземно базирани детектори като LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).