Zespół naukowców bada interakcje fal grawitacyjnych powstałych ze zderzających się czarnych dziur.
Kolizja dwóch czarnych dziur to zjawisko na tyle znaczące, że jesteśmy w stanie je wykryć z Ziemi. Czarne dziury są tak ogromne, że ich zderzenia generują fale, które przemieszczają się przez czasoprzestrzeń. Naukowcy nazywają je falami grawitacyjnymi. Pomysł istnienia fal grawitacyjnych został przewidziany już w 1916 roku przez Alberta Einsteina, jednak dopiero w 2015 roku fizycy byli w stanie potwierdzić ich istnienie bezpośrednio dzięki LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Aktualnie naukowcy, we współpracy z amerykańskim Biurem Naukowym Departamentu Energii i innymi agencjami federalnymi, pracują nad lepszym zrozumieniem tych fal grawitacyjnych oraz nad tym, jak mogą one poszerzyć naszą wiedzę na temat czarnych dziur.
Zderzenia czarnych dziur są nie tylko potężne, ale także charakteryzują się niezwykle skomplikowaną fizyką. Aby przeprowadzić dokładne symulacje tych zdarzeń, konieczne jest użycie zaawansowanych modeli komputerowych. Symulacje muszą uwzględniać każdy etap procesu – począwszy od spiralnego zbliżania się czarnych dziur, poprzez ich połączenie i przekształcenie w jedną zniekształconą czarną dziurę, aż do ostatecznego osiedlenia się w pojedynczej, stabilnej czarnej dziurze. Proces ten jest tak skomplikowany, że naukowcy potrzebowali do jego przeprowadzenia potężnych superkomputerów.
Następnie badacze porównali dane numeryczne z symulacji z modelami tego procesu. Starsze wersje modeli sugerowały, że fale grawitacyjne nie miały wpływu na siebie nawzajem. Jednak naukowcy podejrzewali, że jest inaczej. Aby to zilustrować, można się użyć porównania do dwóch osób stojących obok siebie w basenie i wytwarzających fale. Jeśli obie osoby wytwarzają bardzo małe fale, istnieje możliwość, że fale nie będą ze sobą interferować – mogą wygasać zanim zaczną ze sobą oddziaływać. Jednakże jeśli obie osoby wytwarzają duże fale, zderzą się one ze sobą i wytworzą nowe fale. Naukowcy wiedzieli, że takie zderzenia powodują powstanie silnych fal grawitacyjnych, dlatego podejrzewali, że fale te będą oddziaływać ze sobą, choć nie było to widoczne w starszych modelach.
Zespół naukowców z kilku renomowanych instytucji, takich jak Caltech, Columbia University, Uniwersytet Mississippi, Uniwersytet Cornella i Max Planck Institute for Gravitational Physics, przeprowadził nową, bardziej szczegółową analizę wyników numerycznych dotyczących fal grawitacyjnych. W wyniku tej analizy ustalono, że fale grawitacyjne oddziałują ze sobą zgodnie z oczekiwaniami naukowców. Każda fala wywołuje subtelne zmiany w pozostałych falach, co prowadzi do powstania nowych rodzajów fal o niezależnych częstotliwościach. Te nowe fale są mniejsze, bardziej chaotyczne i trudniejsze do przewidzenia niż pierwotne fale grawitacyjne. Wprowadzenie tych interakcji do modeli pozwala naukowcom dokładniej opisać wyniki numeryczne i lepiej zrozumieć zjawisko fal grawitacyjnych.
Dodanie tych interakcji do modeli zderzających się czarnych dziur sprawi, że modele te będą dokładniejsze. Z kolei modele te pomogą nam lepiej interpretować rzeczywiste obserwacje. Im dokładniejsze są modele, tym bardziej przydatne są do interpretacji danych z LIGO. Ponadto bardziej zaawansowane modele mogą pomóc naukowcom ocenić, czy ogólna teoria względności (słynna teoria opracowana przez Einsteina) jest odpowiednia do wyjaśnienia rzeczywistych zjawisk zachodzących w czarnych dziurach. Mimo że w pełni wyjaśnia ona wpływ grawitacji na czasoprzestrzeń, wciąż nie jest jasne, jak dobrze opisuje dziwne właściwości czarnych dziur.
Zderzenia czarnych dziur są niewyobrażalnie odległe od Ziemi i naszego codziennego życia. Chociaż sami nie możemy poczuć fal grawitacyjnych, dane i modele tworzone przez naukowców każdego dnia poszerzają naszą wiedzę na temat tych niesamowitych zjawisk.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Źródło: Energy.gov
Na ilustracji: Symulacja łączących się czarnych dziur. Źródło: SXS Lensing/Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration
