Προσομοίωση διπλού συστήματος μαύρων οπών δείχνει βαρυτικά κύματα

Από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο Penn , 25 Μαΐου 2004

Ερευνητές από το πολιτειακό πανεπιστήμιο Penn έχουν αναπτύξει ένα μοντέλο σε υπολογιστές που περιγράφει την αλληλεπίδραση ενός διπλού συστήματος μαύρων οπών, στο οποίο δύο μαύρες τρύπες βρίσκονται η μία σε τροχιά γύρω από την άλλη. Τα προηγούμενα μοντέλα είχαν καταρρεύσει επειδή η βαρύτητα των μαύρων οπών διαστρεβλώνει το περιβάλλον διάστημα τόσο πολύ, που είναι σχεδόν αδύνατο να γίνουν υπολογισμοί. Αυτή η ασυνήθιστη κατάσταση θα μπορούσε να παραγάγει κύματα βαρύτητας ανιχνεύσιμα από τη Γη, που ενώ θεωρητικά υπάρχουν δεν τα έχουμε ακόμα ανιχνεύσει.

Ο φυσικός Bernd Bruegmann είναι επικεφαλής της ομάδας, που προσπαθεί να συλλάβει βαρυτικά κύματα στη Γη. Μαζί του είναι η Νίνα Jansen και Wolfgang, η εργασία των οποίων δημοσιεύεται στο Physical Review Letters.

Οι μαύρες τρύπες περιγράφονται από τη θεωρία της Γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία δίνει μια ιδιαίτερα ακριβή περιγραφή της βαρυτικής αλληλεπίδρασης.

Εντούτοις, οι εξισώσεις Einstein είναι περίπλοκες και εμφανώς δύσκολο να λυθούν ακόμα και αριθμητικά. Επιπλέον, οι μαύρες τρύπες έχουν και οι ίδιες πολλά προβλήματα. Μέσα σε κάθε μαύρη τρύπα κρύβεται η χωροχρονική ανωμαλία ή ιδιομορφία. Οποιοδήποτε αντικείμενο που πλησιάζει κοντά θα τραβηχτεί προς το κέντρο της μαύρης τρύπας, χωρίς καμιά πιθανότητα να δραπετεύσει, ενώ θα του ασκηθούν τεράστιες βαρυτικές δυνάμεις που θα το διαλύσουν.

"Όταν προσομοιώσαμε αυτές τις ακραίες συνθήκες στον υπολογιστή, διαπιστώσαμε ότι μια μοναχική μαύρη τρύπα είναι δύσκολο να σχηματιστεί, αλλά δύο μαύρες τρύπες στα τελικά στάδια της σπειροειδούς κίνησης τους είναι πάρα πολύ πιο δύσκολο να σχηματιστούν λόγω της υψηλής μη γραμμικής δυναμικής της θεωρίας του Einstein", αναφέρει ο Bruegmann.

Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστές του διπλού συστήματος των μαύρων οπών δείχνουν μια αστάθεια και σύγκρουση των δύο μαύρων οπών μετά από έναν ορισμένο χρόνο, που ήταν σημαντικά πιο σύντομος από το χρόνο που απαιτήθηκε να μπουν σε τροχιά.

"Η τεχνική που έχουμε αναπτύξει είναι βασισμένη σε ένα πλέγμα σημείων, που κινούνται μαζί με τις μαύρες τρύπες, ελαχιστοποιώντας την κίνηση και τη διαστρέβλωσή τους, και έχοντας αρκετό χρόνο για να ολοκληρώσουν μια σπειροειδή τροχιά η μία γύρω από την άλλη πριν από να συντριβούν, πάντα στο πρόγραμμα προσομοίωσης σε υπολογιστές", λέει ο Bruegmann.

"Ενώ η μοντελοποίηση των αλληλεπιδράσεων των μαύρων τρυπών και των κυμάτων βαρύτητας είναι ένα πολύ δύσκολο πρόγραμμα, το αποτέλεσμα του Bruegmann μας δίνει τον τρόπο για το πώς μπορούμε τελικά να πετύχουμε την προσομοίωση", λέει ο Richard Matzner, καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν.

Ο Abhay Ashtekar, καθηγητής της φυσικής και διευθυντής του ιδρύματος για τη φυσική της βαρύτητας προσσθέτει ότι η πρόσφατη προσομοίωση του Bruegmann είναι ένα ορόσημο, επειδή ανοίγει την πόρτα στην ανάλυσης διαφόρων μορφών συγκρούσεων μεταξύ μαύρων οπών, ίσως το πιο ενδιαφέρον γεγονός για την αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων".