Обнаружение гравитационных волн от слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд открыло окно в режим сильного гравитационного поля, позволяя физикам накладывать ограничения на различные гравитационные теории [1, 2]. Эти наблюдения также позволяют исследовать способы взаимодействия компактных объектов с гравитационными волнами, достигающими их границ, или, в случае нейтронных звёзд, проходящими через их внутренние области [3].
Валентин Боянов из Лиссабонского университета в Португалии и его коллеги изучили такие взаимодействия, анализируя, как на отклик объекта влияют проходящие гравитационные волны [4].
Вопросы, которые рассматривают Боянов и его коллеги:
* При каких условиях вязкие компактные объекты, такие как нейтронные звёзды, отражают или поглощают гравитационные волны?
* В какой степени эти взаимодействия имитируют взаимодействия чёрных дыр?
На первый взгляд может показаться, что чёрные дыры не могут отражать гравитационные волны — в конце концов, их отличительная черта заключается в том, что они поглощают всё, что на них падает. Но на практике поглощение или отражение чёрной дырой гравитационных волн 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 представляет собой потенциальный барьер для распространения волны: волны «отражаются», то есть рассеиваются в этом регионе с изменением фазы или направления распространения [5].
Для нейтронных звёзд ситуация иная. Нейтронная звезда имеет внутреннюю часть, через которую гравитационные волны могут проникать и в которой 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 незатухающими, то есть ни одна из гравитационно-волновой энергии 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 полагают, присутствуют в некоторых нейтронных звёздах, большинство нейтронных звёзд должно состоять из жидкостей с конечной вязкостью. Возникает вопрос: как эта вязкость влияет на взаимодействие нейтронных звёзд с гравитационными волнами?
Добавление полимеров в жидкость ускоряет её течение по трубе за счёт снижения фрикционного сопротивления у внутренней поверхности трубы. Этот так называемый эффект Тома давно используется в нефтяной промышленности, например, для повышения 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 формирование вихрей и тем самым снижают потерю энергии потока на нагрев [1].
Исследователи добавили длинноцепочечные полимеры в различных концентрациях в водный раствор и залили смесь в прозрачный цилиндрический резервуар. Противоположно вращающиеся перегородки внутри резервуара создавали завихряющийся турбулентный поток. Система визуализации фиксировала скорость потока в центре резервуара, и по этой трёхмерной карте скоростей команда идентифицировала различные структуры потока, такие как вихреподобные завихрения и листообразные потоки.
В турбулентных потоках энергия каскадирует от крупномасштабных потоков до мелкомасштабных завихрений, прежде чем рассеиваться в виде тепла. Си и его коллеги показали, что полимеры уменьшают это рассеяние, подавляя формирование завихрений ниже определённого масштаба длины. Эта идея не нова, но исследователи обнаружили, что рассеяние перестаёт уменьшаться при превышении 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 потока.
— Майкл Ширбер,
Майкл Ширбер — ответственный редактор журнала Physics Magazine, базируется в Лионе, Франция.