Группа физиков из Калифорнийского технологического института разработала новую систему визуализации искривления пространства-времени рядом с чёрными дырами. С её помощью учёные рассчитывают выяснить причины целого ряда космических явлений, среди которых – излучение гравитационных волн и слияние чёрных дыр.

В рамках Гинзбурговской конференции по физике, проходившей в Физическом институте им. П.Н. Лебедева летом этого года, знаменитый американский физик-теоретик, заслуженный профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн представил свой взгляд на современное состояние исследований чёрных дыр и на перспективы этого направления науки.

Главным тезисом выступления стала идея о том, что мы стоим на пороге нового «золотого века» в изучении чёрных дыр. Такой оптимизм Торн объяснил значительным прогрессом, который в последнее время наблюдается в разработке двух важных инструментов для изучения динамического поведения искривлённого пространства-времени вблизи чёрных дыр.

• Первый из них – численное моделирование процессов, происходящих в чёрных дырах, – появился ещё в 1960-х годах, но активное развитие получил в последние семь лет. Таким численным моделированием сейчас занимается целый ряд 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 чёрных 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 чёрных дыр. Хотя это явление хорошо известно физикам и было доказано спутниковыми наблюдениями в 1990-х годах, его очень сложно представить наглядно, из-за того что каждая точка пространства-времени характеризуется десятью различными параметрами.

Группа Торна предложила сравнительно простую модель, раскрывающую суть процесса искривления. Учёные обозначили параметры векторами, которые, сливаясь, образуют протяжённые линии.

Комментирует профессор Кип Торн:

«В основе предложенного нами метода – линии двух типов, представляющие ключевые аспекты искривлённого 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 отсчёта. 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 искривлённом 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 чёрными дырами».

Рис. 1. Компьютерная симуляция процесcа слияния двух черных дыр.

Предложенная система визуализации поможет 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 чёрных дыр.

С помощью нового метода физики, в частности, рассчитывают выяснить, почему при столкновениях происходит направленный выброс гравитационных волн – зачастую сильный настолько, что чёрная дыра оказывается вне галактики, в которой она зародилась. Предполагается, что 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 чёрной дыры, но усиливали друг друга, порождая значительный поток гравитационных волн с другой.

Рис. 2. Процесс генерации гравитационных волн при столкновении двух черных дыр.

Кроме того, физики рассчитывают, что

новая технология поможет определить свойства гравитационных волн и, следовательно, обнаружить сами волны среди массива данных, которые поступают в гравитационно-волновые обсерватории.

По мнению Кипа Торна,

кульминация «золотого века» исследований чёрных дыр наступит тогда, когда эти обсерватории смогут исследовать выявленные нелинейные структуры и другие аспекты нелинейной динамики искривлённого пространства-времени.