«Поява таких структур проливає нове світло на типи математичних об’єктів, з яких побудована природа».

Вчені зробили найточніші на сьогодні передбачення щодо невловимих просторово-часових збурень, які виникають, коли дві чорні діри пролітають близько одна до одної.

Нові результати, опубліковані в середу (14 травня) в журналі Nature, показують: абстрактні математичні концепції з теоретичної фізики мають практичне застосування в моделюванні просторово-часових брижів. Це прокладає шлях до більш точних моделей для інтерпретації даних спостережень.

Гравітаційні хвилі — це спотворення тканини простору-часу, спричинені рухом масивних об’єктів, таких як чорні діри або нейтронні зорі. Їх вперше передбачив Альберт Айнштайн в 1915 р. в загальній теорії відносності, а виявили століттям пізніше, у 2015 році. Відтоді ці хвилі стали потужним інструментом спостереження для астрономів, які досліджують деякі з найсильніших та найзагадковіших подій у Всесвіті.

Ця візуалізація показує енергію, яку переносять гравітаційні хвилі, що виникають, коли дві чорні діри пролітають одна повз одну. Науковці обчислили цю енергію з безпрецедентною точністю, використовуючи передові математичні функції, відомі як періоди Калабі-Яу. Це прокладає шлях до більш точних моделей гравітаційних хвиль. Авторські права на зображення: Mathias Driesse/Humboldt Universtität zu Berlin. Фото з сайту www.space.com.

Щоб зрозуміти сигнали, які реєструють чутливі детектори, такі як LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) та Virgo, науковцям потрібні надзвичайно точні моделі того, який вигляд, згідно з очікуваннями, матимуть ці хвилі. Ця справа нагадує, наприклад, прогнозування космічної погоди. Досі дослідники застосовували потужні суперкомп’ютери для моделювання взаємодії чорних дір. Це вимагає поетапного уточнення траєкторій таких об’єктів, що є ефективним, але повільним та обчислювально дорогим процесом.

Тепер наукова група під керівництвом Матіаса Дріссе (Mathias Driesse) з Берлінського університету імені Гумбольдтів обрала інший підхід. Замість вивчення злиттів, дослідники зосередилися на «подіях розсіювання» — випадках, коли дві чорні діри закручуються близько одна до одної під дією взаємної гравітації, а потім продовжують рухатися різними шляхами, не зливаючись. Ці зіткнення спричиняють появу сильних гравітаційних хвиль, коли чорні діри прискорюються одна повз одну.

Щоб точно змоделювати такі події, науковці звернулася до квантової теорії поля — розділу фізики, яку зазвичай використовують для опису взаємодії між елементарними частинками. Почавши з простих наближень та систематично підвищуючи складність, дослідники розрахували головні результати явища проходження чорних дір одна повз одну: наскільки вони відхиляються, скільки енергії випромінюється як гравітаційні хвилі та наскільки «бегемоти» відскакують після взаємодії.

Робота дослідників мала п’ять рівнів складності, досягнувши того, що фізики називають п’ятим постмінковським порядком — найвищим рівнем точності, коли-небудь досягнутим у моделюванні взаємодій чорних дір.

«Досягнення цього рівня є безпрецедентним. Це найточніше рішення рівнянь Айнштайна, отримане на сьогодні», — сказав у коментарі для Space.com Ґустав Моґалл (Gustav Mogull), фізик в галузі елементарних частинок з Лондонського університету королеви Марії та співавтор дослідження.

Реакцією наукової групи на досягнення знакової точності було «здебільшого просто здивування, що нам вдалося виконати роботу», — зауважив Моґалл.

Під час розрахунку енергії, що випромінюється як гравітаційні хвилі, дослідники виявили: в рівняннях з’являються складні шестивимірні форми, відомі як многовиди Калабі-Яу (Calabi–Yau manifolds). Ці абстрактні геометричні структури, які часто візуалізують як багатовимірні аналоги поверхонь, подібних до пончиків, — тривалий час були основою теорії струн. В цій теорії фізики намагаються об’єднати квантову механіку з гравітацією. Досі такі геометричні структури вважали суто математичними конструкціями, без прямої перевірки, пов’язаної зі спостережуваними явищами.

Однак у новому дослідженні ці форми з’являлися в розрахунках, що описують енергію, яка випромінюється у вигляді гравітаційних хвиль, коли дві чорні діри проходять одна повз одну. Це перший випадок, коли вони з’являються в описі явища, яке, в принципі, можна перевірити за допомогою реальних експериментів.

Моґалл порівнює появу складних шестивимірних форм з переходом від лупи до мікроскопа, що дає змогу встановити особливості та закономірності, які раніше неможливо було виявити. «Поява таких структур проливає нове світло на типи математичних об’єктів, з яких побудована природа», — сказав він.

Науковці очікують, що ці висновки значно покращать майбутні теоретичні моделі, спрямовані на прогнозування особливостей сигналів гравітаційних хвиль. Такі вдосконалення будуть вирішальними, оскільки детектори гравітаційних хвиль наступного покоління, зокрема заплановані в Європі Космічна антена лазерного інтерферометра (Laser Interferometer Space Antenna, LISA) та телескоп Айнштайна, науковці готують до запуску в найближчі роки.

«Покращення точності потрібне для того, щоб не відставати від вищої точності, яку очікуємо від цих детекторів», — сказав Моґалл.

За інф. з сайту www.space.com