Гравитационные волны — это волны, переносящие энергию, которые возникают при ускорении или возмущении массивных объектов. Впервые они были напрямую зафиксированы в 2015 году и, как известно, возникают во время различных космологических явлений, включая слияния двух чёрных дыр, которые вращаются друг вокруг друга (то есть бинарные чёрные дыры).
Изучение гравитационных волн
Изучение гравитационных волн может дать ценную информацию о гравитации — фундаментальной силе, описанной общей теорией относительности Эйнштейна. В рамках этой теории гравитация представлена как искривление пространства-времени, вызванное массой и энергией.
Предыдущие исследования показали, что когда гравитационные эффекты особенно выражены (например, в режимах сильного поля, связанных со слияниями бинарных чёрных дыр), гравитация становится нелинейной. Более глубокое изучение этих нелинейных динамик может помочь проверить и усовершенствовать существующие теории гравитации.
Новые симуляции
Исследователи из Калифорнийского технологического института провели новые симуляции, в которых гравитация описывается с помощью уравнений Максвелла, обычно используемых для изучения электромагнетизма, вместо традиционных уравнений общей теории относительности.
Их статья, опубликованная в журнале «Physical Review Letters», представляет новый многообещающий подход к изучению гравитационной динамики слияний бинарных чёрных дыр и других столкновений в пространстве-времени.
Элиас Р. Мост, старший автор статьи, рассказал Phys.org: «Наше исследование было вдохновлено двумя вещами. В контексте прогнозирования радиовсплесков от слияния компактных объектов, таких как нейтронные звёзды и чёрные дыры, мы провели обширную работу по изучению регулярных электрических и магнитных полей вокруг чёрных дыр, смоделировали их динамику и получили очень хорошее представление о том, как они ведут себя».
Электродинамический подход
Недавняя работа Моста и его коллег основана на идее, что гравитацию можно выразить и другими способами, которые напоминают то, как физическая теория описывает электрические и магнитные поля.
Исследователи использовали уравнения, описывающие электромагнетизм, так называемые уравнения Максвелла, чтобы понять гравитационную динамику в режимах сильного поля. Они надеялись достичь того же уровня понимания, которого достигли в более ранних исследованиях, посвящённых радиоизлучению.
«Симуляции, которые мы провели, основаны на общепринятой методологии для визуализации уравнений Эйнштейна общей теории относительности на компьютере», — пояснил Мост. «Эти симуляции по своей сути сложны и разрабатывались сообществом в течение последних 50 лет. Главной новинкой, которую мы привнесли, была способность полностью переосмыслить эти симуляции аналогично электродинамике. То есть мы использовали полученные выражения и интерпретировали симуляции по-новому».
Используя предложенную ими методологию, исследователи смогли вычислить электрическое и магнитное поле, связанное с гравитацией, на основе существующих данных моделирования. Интересно, что их симуляции показали, что теорию общей относительности действительно можно изучать с помощью уравнений, описывающих электромагнетизм.
«Наша работа уже научила нас, как интерпретировать траектории частиц и искривлённое пространство», — сказал Мост. «Это также очень помогло в прояснении возникновения нелинейности (где доминирует сильная гравитация)».
В будущем недавнее исследование Моста и его коллег может открыть новые возможности для исследований, направленных на проверку конкретных аспектов теории общей относительности или нелинейной гравитационной динамики. В своих следующих исследованиях учёные планируют использовать свои симуляции для изучения турбулентноподобных аспектов гравитационных волн.
«По сути, гравитационные волны отличаются от обычных лучей света», — объяснил Мост. «Когда они проходят друг через друга, они могут (при определённых условиях) взаимодействовать. Это взаимодействие может напоминать турбулентность в атмосфере, но её трудно описать математически. С другой стороны, для некоторых режимов электродинамики это хорошо известное и изученное явление».
«Используя наш подход, мы смогли показать, что те же математические формулировки, лежащие в основе турбулентности с регулярными магнитными полями, применимы и к гравитационным волнам, что является очень нетривиальным открытием. В ближайшие месяцы мы планируем более подробно изучить нелинейность гравитационных волн».