В рамках Гинзбурговской конференции по физике, проходившей в Физическом институте им. П.Н. Лебедева летом этого года, заслуженный профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн представил свой взгляд на современное состояние исследований черных дыр и на перспективы этого направления науки. Главным тезисом выступления стала идея о том, что мы стоим на пороге нового «золотого века» в изучении черных дыр.
Такой оптимизм Торн объяснил значительным прогрессом, который в последнее время наблюдается в разработке двух важных инструментов для изучения динамического поведения искривленного пространства-времени вблизи черных дыр.
Первый из них – численное моделирование процессов, происходящих в черных дырах, – появился в 1960-х годах, однако активное развитие получил в последние семь лет. Таким численным моделированием сейчас занимаются несколько исследовательских коллективов в Америке и Европе.
Второй инструмент, разработка которого также началась в 1960-х годах, – детектирование гравитационных волн и связанное с этим наблюдение столкновений и слияний черных дыр. С использованием этих инструментов связана и представленная Торном работа, которую его группа в Калифорнийском технологическом институте проводит с коллегами из других научных организаций.
Согласно общей теории относительности, пространство-время искривляется вблизи вращающихся массивных тел, в частности, вблизи черных дыр. Данное явление очень хорошо известно физикам и было доказано спутниковыми наблюдениями в 1990-х годах, однако его сложно представить наглядно ввиду того, что каждая точка пространства-времени характеризуется 10 различными параметрами. Группа Торна предложила сравнительно простую модель, раскрывающую суть процесса искривления. Исследователи обозначили параметры векторами, которые, сливаясь, образуют протяженные линии.
Профессор Кип Торн говорит: «В основе предложенного нами метода – линии двух типов, представляющие ключевые аспекты искривленного пространства-времени. Мы назвали их «линиями растяжения» (tendex lines) и «вихревыми линиями» (vortex lines). Линии, подобно тому, как в электромагнетизме силовые линии обозначают изменения в электрическом и магнитном полях, отражают, соответственно, «приливную» гравитацию и так называемый эффект увлечения инерциальных систем отсчета. Этот эффект заключается в том, что вращающийся массивный объект «тянет» пространство-время в направлении своего вращения. Иными словами, в вихревых линиях воплощены эффекты «скручивания» в искривленном пространстве-времени, похожие на те, что действуют при отжимании полотенца. Линии «растяжения» показывают, как следует из названия, силы растяжения и сжимания, которые могут дробить и разрушать объекты рядом с черными дырами».
Предложенная система визуализации позволит по-новому взглянуть на огромный массив данных, полученных с помощью компьютерного моделирования. Наиболее перспективный способ исследования геометродинамики на сегодняшний день – это численное моделирование столкновений и слияний парных черных дыр.
С помощью нового метода физики, в частности, рассчитывают выяснить, почему при столкновениях происходит направленный выброс гравитационных волн – зачастую сильный настолько, что черная дыра оказывается вне галактики, в которой она зародилась.
Предположительно асимметрия выброса гравитационных волн порождается взаимодействием линий растяжения и вихревых линий. В ходе моделирования было установлено, что эффекты, порождаемые линиями двух типов, уравновешивались с одной стороны черной дыры, однако усиливали друг друга, порождая значительный поток гравитационных волн с другой.
Процесс генерации гравитационных волн при столкновении двух черных дыр. Фото с сайта fian-inform.ru
Помимо этого, физики надеются, что новая технология поможет им определить свойства гравитационных волн, а следовательно, и обнаружить сами волны среди массива данных, которые поступают в гравитационно-волновые обсерватории.
По мнению Кипа Торна, кульминация «золотого века» исследований черных дыр наступит тогда, когда эти обсерватории смогут исследовать выявленные нелинейные структуры и другие аспекты нелинейной динамики искривленного пространства-времени.
По материалам:
km.ru