Танок чорних дір розкриває приховану математику Всесвіту

17 травня 2025 р. 13:08

17 травня 2025 р. 13:08

Вчені зробили найточніші на сьогодні прогнози щодо невловимих просторово-часових збурень, що виникають, коли дві чорні діри пролітають близько одна до одної. Нові результати, опубліковані в середу (14 травня) в журналі Nature, показують, що абстрактні математичні концепції з теоретичної фізики мають практичне застосування в моделюванні просторово-часових брижів, прокладаючи шлях для створення точніших моделей для інтерпретації даних спостережень.

Гравітаційні хвилі – це спотворення тканини простору-часу, спричинені рухом масивних об’єктів, таких як чорні діри чи нейтронні зірки. Вперше передбачені в теорії загальної відносності Альберта Ейнштейнав 1915 році, вони були безпосередньо виявлені вперше століттям пізніше, у 2015 році. Відтоді ці хвилі стали потужним інструментом спостереження для астрономів, які досліджують деякі з найжорстокіших та найзагадковіших подій у Всесвіті.

Щоб розібратися в сигналах, що реєструються чутливими детекторами, такими як LIGO (Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) та Virgo, вченим потрібні надзвичайно точні моделі того, як ці хвилі, як очікується, виглядатимуть, подібні за духом до прогнозування космічної погоди. Досі дослідники покладалися на потужні суперкомп’ютери для моделювання взаємодії чорних дір, що вимагає покрокового уточнення траєкторій чорних дір, що є ефективним, але повільним та обчислювально дорогим процесом.

Тепер команда під керівництвом Матіаса Дріссе з Університету Гумбольдта в Берліні обрала інший підхід. Замість вивчення злиттів, дослідники зосередилися на «подіях розсіювання» — випадках, коли дві чорні діри закручуються близько одна до одної під дією взаємного гравітаційного тяжіння, а потім продовжують рух різними шляхами, не зливаючись. Ці зіткнення генерують сильні гравітаційні хвильові сигнали, коли чорні діри прискорюються одна повз одну.

Щоб точно змоделювати ці події, команда звернулася до квантової теорії поля , розділу фізики, який зазвичай використовується для опису взаємодії між елементарними частинками. Починаючи з простих наближень та систематичного нашарування складності, дослідники розрахували ключові результати прольотів чорних дір: наскільки вони відхиляються, скільки енергії випромінюється у вигляді гравітаційних хвиль і наскільки гіганти відскакують після взаємодії.

Їхня робота включала п’ять рівнів складності, досягнувши того, що фізики називають п’ятим постмінковським порядком — найвищим рівнем точності, коли-небудь досягнутим у моделюванні цих взаємодій.

«Досягнення такого рівня є безпрецедентним і являє собою найточніше рішення рівнянь Ейнштейна, отримане на сьогоднішній день», – сказав Space.com Густав Моґалл, фізик елементарних частинок з Лондонського університету королеви Марії та співавтор дослідження .

Реакція команди на досягнення знакової точності була «здебільшого просто здивуванням тим, що нам вдалося виконати роботу», – згадував Моґалл.

Під час розрахунку енергії, що випромінюється гравітаційними хвилями, дослідники виявили, що в рівняннях з’являються складні шестивимірні форми, відомі як многовиди Калабі-Яу. Ці абстрактні геометричні структури, які часто візуалізуються як багатовимірні аналоги поверхонь, подібних до пончиків, довгий час були основою теорії струн, структури, яка намагається об’єднати квантову механіку з гравітацією. Досі їх вважали суто математичними конструкціями, що не мають безпосередньої перевірки, пов’язаної зі спостережуваними явищами.

Однак у новому дослідженні ці форми з’явилися в розрахунках, що описують енергію, що випромінюється як гравітаційні хвилі, коли дві чорні діри проходять одна повз одну. Це перший випадок, коли вони з’являються в контексті, який, в принципі, можна перевірити за допомогою реальних експериментів.

Моґалл порівнює їхню появу з переходом від збільшувального скла до мікроскопа, виявляючи особливості та закономірності, які раніше неможливо було виявити. «Поява таких структур проливає нове світло на ті види математичних об’єктів, з яких побудована природа», – сказав він.

Очікується, що ці висновки значно покращать майбутні теоретичні моделі, спрямовані на прогнозування сигнатур гравітаційних хвиль. Такі вдосконалення будуть вирішальними, оскільки детектори гравітаційних хвиль наступного покоління, включаючи заплановану космічну антену лазерного інтерферометра (LISA) та телескоп Ейнштейна в Європі, будуть запущені в найближчі роки.

«Покращення точності необхідне для того, щоб не відставати від вищої точності, яка очікується від цих детекторів», – сказав Моґалл.

Наука