Οι μαύρες τρύπες συγκρούονται στον υπολογιστή

Από σελίδα NewScientist, 26 Ιουλίου 2002

Μια προσομοίωση δύο μαύρων τρυπών που συγχωνεύονται βίαια προς μία τρύπα, στους υπολογιστές όμως, θα βοηθήσει άμεσα τους αστρονόμους στην αναζήτησή τους για τα βαρυτικά  κύματα - ένα από τα πιο θεμελιώδη αλλά όμως αόριστα μέχρι σήμερα φαινόμενα στον κόσμο.

Τα βαρυτικά κύματα προβλέπονται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein αλλά μέχρι τώρα δεν έχουν ανιχνευθεί ποτέ. Οι συγκρουόμενες μαύρες τρύπες πρέπει φυσιολογικά να παραγάγουν τα θυελλώδη κύματα βαρύτητας, που μεταβάλουν  την πυκνότητα του χωροχρόνου. Αλλά η επίδρασή των βαρυτικών κυμάτων πάνω στη Γη θα άλλαζε πολύ ελάχιστα, και θα ήταν δύσκολο αντιληπτό, την απόσταση μεταξύ δύο αντικειμένων.

Εν τούτοις, οι επιστήμονες ελπίζουν να μετρήσουν αυτήν την μικροσκοπική διαφορά χρησιμοποιώντας τα όργανα που μπορούν να ανιχνεύσουν αλλαγές λιγότερο από ένα attometre (10^-18 του ενός μέτρου). Οι νέες προσομοιώσεις οφείλουν να τους βοηθήσουν να καταλάβουν τι πρέπει να αναμένουν στην πραγματικότητα και πώς να ερμηνεύσουν τα αποτελέσματά τους, λέει ο Gianpietro Cagnoli, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης.

"Είναι πραγματικά σημαντικό", λέει ο Cagnoli "Η προσπάθεια που αφιερώνεται στην πρόβλεψη της μορφής των βαρυτικών κυμάτων είναι θεμελιώδης σε αυτήν την επιχείρηση".

Τεράστιο κρεσέντο

Η σύγκρουση των μαύρων τρυπών με τη βοήθεια υπολογιστών εκτελέσθηκε από μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Τέξας και το Θεωρητικό Κέντρο Αστροφυσικής στην Κοπεγχάγη, γνωστοί ως ομάδα Lazarus.

Μιμήθηκαν τον απλούστερο τύπο της πιθανής συγχώνευσης: την συγχώνευση δύο μη-ιδιοπεριστροφικών μαύρων οπών με ίση μάζα. Αλλά για πρώτη φορά, συνδύασαν τρεις μαθηματικές τεχνικές για να διαμορφωθούν τα διαφορετικά στάδια της συγχώνευσης.

"Το πρόβλημα του να συνδυάσεις τις διαφορετικές λύσεις μαζί είναι, από μόνο του, δύσκολο", λέει ο Lee Samuel Finn, διευθυντής του Κέντρου για τη Φυσική των Βαρυτικών Κυμάτων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο  Penn στην Πενσυλβάνια. "Η οποία είναι μια από τις αιτίες που οι προηγούμενες προσπάθειες δεν έχουν επιτύχει".

Η προσομοίωση υποστηρίζει τις προβλέψεις του μοντέλου των κυμάτων βαρύτητας, τα οποία παράγονται από τις μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται: μετά από μια ήρεμη έναρξη, αυτές αυξάνονται προς ένα τεράστιο κρεσέντο τη στιγμή της  επαφής και τότε παρουσιάζουν συντονισμό σε μακρινή απόσταση.

Ο John Baker του Κέντρου Διαστημικής Πτήσης Goddard της NASA στο Μέρυλαντ τόνισε: "Αυτές οι προσομοιώσεις μας βοηθούν για να ξέρουμε τι θα προσδοκούμε από τις παρατηρήσεις. Και για να αρχίσουμε τις στρατηγικές αναλύσεις των στοιχείων για τους ανιχνευτές καθώς επίσης και για να μας βοηθήσουν να σχεδιάσουμε βελτιωμένες τις μελλοντικές προσομοιώσεις".

Κοσμολογικοί έλεγχοι

Οι αστροφυσικοί θεωρούν ότι οι συγχωνεύσεις των μαύρων οπών πρέπει να δίνουν τα ισχυρότερα βαρυτικά κύματα. Αλλά,  άλλα γεγονότα, όπως οι συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων και γαλαξιών καθώς επίσης και οι εκρήξεις τεράστιων αστεριών,  αναμένεται  να οδηγήσουν σε ανιχνεύσιμα κύματα βαρύτητας.

Η μέτρηση των κυμάτων βαρύτητας θα επέτρεπε στους αστρονόμους να εξετάσουν φαινόμενα όπως η καρδιά των σουπερνοβών και έτσι η μέτρηση αυτή θα μπορούσε να παράσχει μια βαθιά γνώση της Μεγάλης Έκρηξης.

Μια αεροφωτογραφία που δείχνει πως θα αναπτυχθεί η συσκευή για τη μέτρηση των βαρυτικών κυμάτων από το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων με συμβολόμετρο Laser (LIGO) στο Hanford Nuclear Reservation. Το ανάπτυγμα της κάθε κεραίας σε αυτό το σχήμα L θα είναι 4 km.

Υπάρχουν όμως διάφορα επίγεια προγράμματα βαρυτικών κυμάτων. Το ένα, το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Laser (LIGO), αποτελείται από ένα ζεύγος οργάνων σε σχήμα L  που το μήκος των ποδιών φθάνουν τα 4km, υποβάλλεται αυτήν την περίοδο σε τελική δοκιμή. Χρησιμοποιώντας μια ακτίνα λέιζερ, θα μετρήσει διακυμάνσεις στην απόσταση μεταξύ των καθρεφτών που βρίσκονται στο τέλος κάθε ποδιού.

Η NASA και η Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία (ESA) έχουν προτείνει επίσης ένα πείραμα βασισμένο στο διάστημα χρησιμοποιώντας τρία διαστημικά σκάφη, που ονομάζεται Συμβολόμετρο με Λέιζερ Διαστημική Κεραία (LISA), το οποίο θα μπορούσε να προωθηθεί μέχρι το 2008.

Οι νέες προσομοιώσεις παρουσιάστηκαν στο τέταρτο διεθνές συμπόσιο LISA, που διοργανώθηκε στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο Penn.