Η γενική σχετικότητα αποκαλύπτει τα μυστικά της

Πηγή: PhysicsWeb, 19 Απριλίου 2006

Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν μπορεί να είναι άνω των 90 ετών, αλλά μόνο πρόσφατα πολλές από τις επιπτώσεις της μπορούν να εξερευνηθούν χάρις στις προόδους στην υπολογιστική ισχύ. Κι αυτό επειδή οι σύνθετες μη γραμμικές εξισώσεις της -- που περιγράφουν πώς ο χωρόχρονος κάμπτεται από την ύλη και επομένως πώς κινείται η ύλη σε ένα βαρυτικό πεδίο -- δεν μπορούν να λυθούν ακριβώς, ακόμη και για τις απλούστερες καταστάσεις.

Σχήμα 1 - Συγχώνευση Γαλαξιών: Δύο σπειροειδείς γαλαξίες, που ο κάθε ένας τους έχει μια ογκώδη μαύρη τρύπα στο κέντρο του, παρουσιάζονται στα αρχικά στάδια μιας συγχώνευσης. Εκατοντάδες εκατομμυρίων ετών μετά από τη συγχώνευση των γαλαξιών, οι μαύρες τρύπες στα κέντρα τους επίσης θα ενωθούν και τελικά θα συγχωνεύσουν. (Για μια προσομοίωση κτυπήστε εδώ)

Τώρα όμως, ο Joan Centrella και οι συνάδελφοι του στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA έχουν κάνει μια πολύ σημαντική ανακάλυψη στην αριθμητική σχετικότητα προσομοιώνοντας τι συμβαίνει όταν συγχωνεύονται δύο μαύρες τρύπες. Αυτά τα εξαιρετικά ισχυρά γεγονότα, που εμφανίζονται στα τελικά στάδια μιας γαλαξιακής σύγκρουσης, παράγουν άφθονα κύματα βαρύτητας ή "κυματισμούς" στον χωρόχρονο.

Σχήμα 2 - Ένα νέο μοντέλο: Αυτή η εικόνα παρουσιάζει ό,τι πρόβλεψε ο Αϊνστάιν. Οι ερευνητές εφάρμοσαν τη θεωρία του Αϊνστάιν της γενικής σχετικότητας στον υπερυπολογιστή στο ερευνητικό κέντρο της NASA Ames στο Κολούμπια, για να δημιουργήσουν μια τρισδιάστατη προσομοίωση των μαύρων οπών που συγχωνεύονται. Ήταν δε ο μεγαλύτερος αστροφυσικός υπολογισμός που εκτελέσθηκε ποτέ σε έναν υπερυπολογιστή της NASA. Η προσομοίωση αποτελεί τη βάση για να ερευνηθεί το σύμπαν με έναν εξ ολοκλήρου νέο τρόπο, μέσω της ανίχνευσης των κυμάτων βαρύτητας ((Για μια προσομοίωση κτυπήστε εδώ)

Μια κεντρική πρόβλεψη της γενικής σχετικότητας, τα κύματα της βαρύτητας,  μένουν ακόμα να ανιχνευθούν άμεσα. Αλλά η νέα προσομοίωση της NASA αποκαλύπτει ακριβώς με τι θα μοιάζει η υπογραφή των βαρυτικών κυμάτων, για μια συγκεκριμένη αστροφυσική διαδικασία (σχήμα 2). Δημιουργημένη στον υπερυπολογιστή της NASA στο ερευνητικό κέντρο της στην Καλιφόρνια (The Columbia supercomputer), η προσομοίωση ήταν το αποτέλεσμα της μετάφρασης σύνθετων μαθηματικών επεκτάσεων των εξισώσεων πεδίου του Einstein, σε πολλές χιλιάδες γραμμές κώδικα των υπολογιστών.

Η προσομοίωση συνδυασμένη με παρατηρήσεις από τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, όπως το Παρατηρητήριο Κυμάτων Βαρύτητας με Συμβολόμετρο Λέιζερ (LIGO) στις ΗΠΑ ή το παρόμοιο μελλοντικό διαστημικό ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων LISA, η εργασία αυτή θα επιτρέψει στους φυσικούς να εξετάσουν τη γενική σχετικότητα ακόμα ακριβέστερα.

Σχήμα 3 - Συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες στο σμήνος γαλαξιών Abell 400: Οι επιστήμονες παρατηρούν δύο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που κινούνται σπειροειδώς ο ένας προς τον άλλον, κοντά στο κέντρο ενός σμήνους γαλαξιών,  που ονομάζεται Abell 400. Η σύνθετη εικόνα τραβήχτηκε με ακτίνες X και ραδιοφωνικά κύματα, που προέρχονται από τις μαύρες τρύπες.

"Οι συγχωνεύσεις μαύρων οπών είναι παρασάγγες τα ισχυρότερα γεγονότα που εμφανίζονται στον κόσμο, με το καθένα να παράγει περισσότερη ενέργεια από όλα τα αστέρια στον κόσμο που συγχωνεύονται", λέει ο Centrella. "Τώρα έχουμε τις ρεαλιστικές προσομοιώσεις για να καθοδηγήσουμε τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που έρχονται όπου να' ναι". Οι ερευνητές επεκτείνουν τώρα την προσομοίωσή τους για να μοντελοποιήσουν τις συγχωνεύσεις μεταξύ των μαύρων τρυπών με διαφορετικές μάζες.