Обнаружение гравитационных волн от слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд открыло окно в режим сильного гравитационного поля, позволяя физикам ограничивать различные гравитационные теории [1, 2]. Эти наблюдения также дают возможность исследовать способы взаимодействия компактных объектов с гравитационными волнами, которые достигают их границ или, в случае нейтронных звёзд, проходят через их внутренние области [3].
Валентин Боянов из Лиссабонского университета в Португалии и его коллеги изучили такие взаимодействия, анализируя, как на отклик объекта влияют его вязкость и взаимодействие с проходящими гравитационными волнами [4].
Вопросы, которые решают Боянов и его коллеги:
* При каких условиях вязкие компактные объекты, такие как нейтронные звёзды, отражают или поглощают гравитационные волны?
* Насколько эти взаимодействия имитируют взаимодействия чёрных дыр?
На первый взгляд может показаться, что чёрные дыры не могут отражать волны — они поглощают всё, что на них падает. Но на практике поглощение или отражение гравитационных волн чёрной дырой зависит от частоты этих волн. Высокочастотные гравитационные волны пересекают горизонт событий и поглощаются, увеличивая массу и угловой момент чёрной дыры. Для низкочастотных волн искривлённое пространство-время вокруг чёрной дыры становится потенциальным барьером для распространения волн: волны «отражаются», то есть рассеиваются в этом регионе, изменяя фазу или направление распространения.
Для нейтронных звёзд ситуация иная. Нейтронная звезда имеет внутреннее пространство, через которое гравитационные волны могут проникать и в котором могут возбуждаться колебательные моды. Эти колебания связаны с динамическими перестройками распределения массы нейтронной звезды, которые сами генерируют гравитационные волны. Поэтому ключевым свойством этих объектов, имеющим отношение к их взаимодействию с гравитационными волнами, является их сдвиговая вязкость.
В нейтронной звезде, состоящей из идеальной (с нулевой вязкостью) жидкости, возбуждаемые гравитационными волнами колебательные моды были бы неувлажнёнными, то есть ни одна из энергии гравитационных волн не поглощалась бы. В результате нейтронные звёзды с нулевой вязкостью должны быть высокоотражающими для гравитационных волн на всех частотах. Но хотя сверхтекучие жидкости с такими свойствами, как считается, присутствуют внутри некоторых нейтронных звёзд, большинство нейтронных звёзд должны состоять из жидкостей с конечной вязкостью.
Как вязкость влияет на взаимодействие нейтронных звёзд с гравитационными волнами?
По мере увеличения вязкости внутренней жидкости нейтронной звезды звезда поглощает больше энергии от входящих гравитационных волн, рассеивая её в виде внутреннего тепла. В частности, высокочастотные моды наиболее сильно затухают, что приводит к тому, что нейтронная звезда становится менее отражающей на высоких частотах гравитационных волн. Эта зависимость частоты от отражательной способности начинает отражать ту, которая предсказывается для чёрных дыр.
Добавление полимеров в жидкость ускоряет её течение по трубе за счёт снижения сопротивления трения у внутренней поверхности трубы. Этот так называемый эффект Тома давно используется в нефтяной промышленности, например, для улучшения скорости потока в трубопроводах. Модели могут объяснить снижение сопротивления, но было неясно, как полимеры влияют на объёмный поток — то есть вдали от стенок трубы.
Теперь Хэн-Дун Си из Северо-Западного политехнического университета в Китае и его коллеги обнаружили, что полимеры подавляют образование вихрей и тем самым снижают потерю энергии потока на нагрев [1]. «Наше исследование объёмного потока даёт более чёткое представление о механизме [полимера] без усложняющих факторов присутствия стенок», — говорит Си.
Исследователи добавляли длинноцепочечные полимеры в различных концентрациях в водный раствор и заливали смесь в прозрачный цилиндрический резервуар. Противоположно вращающиеся перегородки внутри резервуара создавали завихрения, турбулентный поток. Система визуализации фиксировала скорость потока в центре резервуара, и по этой трёхмерной карте скоростей команда идентифицировала различные структуры потока, такие как вихреобразные завихрения и листообразные потоки.
В турбулентных потоках энергия каскадирует от крупномасштабных потоков до мелкомасштабных завихрений, прежде чем теряется в виде тепла. Си и его коллеги показали, что полимеры уменьшают это рассеяние, подавляя образование завихрений ниже определённого масштаба длины. Эта идея не нова, но исследователи обнаружили, что рассеяние перестаёт уменьшаться выше пороговой концентрации полимера. Они также показали, что этот порог возникает, когда размер подавленных завихрений достигает максимально возможного размера завихрений, называемого интегральным масштабом. Поскольку размер подавленных завихрений зависит от определённых параметров полимера, инженеры могут использовать эти результаты для выбора идеальных полимеров для конкретных приложений с потоком.
Майкл Ширбер
Майкл Ширбер — ответственный редактор журнала Physics Magazine, базируется в Лионе, Франция.