Черните дупки – космическите обекти, които до голяма степен все още не са напълно разбрани, очароват както начинаещите, така и експертите. Два екипа изследователи работят едновременно по един и същи въпрос: гравитационните вълни, които се получават при сливането на черните дупки. Техните изследвания се очаква да доведат до моделиране на гравитационните вълни, което е 100 пъти по-точно от използваното в момента и могат да осигурят по-добро разбиране на това впечатляващо явление.
Сливането на две черни дупки е изключително бурно събитие, което създава мощни гравитационни вълни. Два екипа от учени от Калифорнийския технологичен институт и Университета „Джон Хопкинс“ са стигнали до подобно заключение, изследвайки точно това явление. Тези гравитационни вълни, за които дълго време се считаше, че са „линейни“, всъщност се разпространяват в пространството по частично нелинеен начин. Тази информация им даде възможност да изградят нови компютърни модели, които могат да се окажат безценни за изучаването на черните дупки. Изследването им е публикувано в списание Physical Review Letters.
Да си припомним, че черната дупка е компактен обект с гравитационно поле с толкова голяма интензивност, че нито материята, нито излъчването могат да я напуснат. Следователно тя може да бъде наблюдавана само косвено, поради което е получила мистериозния си прякор. Съществуват няколко вида черни дупки и различни причини за тяхното образуване – не всички от тях са напълно изяснени.
Възможно е също така да има обстоятелства, при които две черни дупки се сливат: причините отново могат да бъдат няколко, но Силвен Шати, професор и астрофизик в CEA, описва най-често срещаната ситуация в своята статия по следния начин:
„Две звезди, често масивни, се зараждат в един и същ междузвезден облак. По време на живота си те обменят материя и накрая колапсират една след друга във вид на две свръхнови, като по този начин образуват двойка черни дупки. След това двойката продължава да се движи неумолимо една към друга в продължение на няколко милиарда години, преди окончателно да се слее“.
По-горе е показан фрагмент от цифровата симулация на сливането на две черни дупки. Двойката черни дупки в орбита една около друга губят енергия под формата на гравитационни вълни. Двете звезди бавно се приближават една към друга – явление, което може да продължи милиарди години, преди рязко да се ускори. За част от секундата двете черни дупки се сблъскват със скорост, равна на половината от скоростта на светлината, и се сливат в една черна дупка. Тази черна дупка е по-лека от сбора на двете първоначални черни дупки, защото част от тяхната маса (в този случай еквивалентът на 8 слънца, т.е. колосално количество енергия) е била превърната в гравитационни вълни съгласно известната формула на Айнщайн E=mc2. Именно този изблик на гравитационни вълни бе регистриран от двата детектора Ligo (в САЩ) и Virgo (в Италия). При движението си тези вълни разширяват и свиват пространство-времето. По този начин всеки обект по пътя на гравитационната вълна променя дължината си: именно тези малки промени бяха регистрирани от детекторите Ligo и Virgo. При този процес се осъществява преконфигуриране на масата, заряда и въртенето на получената черна дупка.
Нелинейните ефекти са известни, но се са достатъчно изучени
През 1973 г. екип, ръководен от Сол Теуколски, за пръв път моделира електромагнитните вълни, които са резултат от това явление. Изследователите обаче не взеха под внимание изкривяванията на вълните, които могат да възникнат при подобно сливане. Оттогава насам по-нататъшните изследвания на черните дупки доведоха до разбирането, че тези изкривявания наистина съществуват. Въпреки това те често са били считани за незначителни и слабо отчетени в използваните досега компютърни модели, казват учените.
„Тъй като сливанията на черните дупки са толкова силни, изкривяванията в крайната черна дупка често са огромни“, заяви Кийф Митман, който ръководи изследователския екип от Калтех, както се съобщава в статията на Physics World. „Това означава, че трябва да очакваме нелинейни ефекти, като например гравитационни вълни, които взаимодействат сами със себе си, докато се разпространяват през пространство-времето в близост до черната дупка, генерирайки нови вълни“.
По тази причина две групи учени се заеха с разработването на нови модели за по-добро изчисляване на тези нелинейни ефекти на гравитационните вълни и вече имат голям напредък.
„Усъвършенствахме модела на гравитационните вълни, за да включим нелинейните гравитационни взаимодействия. Разгледахме различни дигитални симулации на сливания на черни дупки, съдържащи както линейни, така и нелинейни взаимодействия. След това оценихме доколко добре нашият нелинеен модел възпроизвежда симулациите“, описва процеса Макарена Лагос, член на екипа на Кийф Митман в Колумбийския университет.
Проучването им показва, че тези нелинейни ефекти не могат да бъдат пренебрегнати. След като анализираха различните симулации на сливане на черни дупки, те изчислиха, че тези процеси могат да бъдат причина за възникването на до 10% от сигналите за гравитационни вълни. Като цяло те изчислиха, че чрез коригиране на моделите чрез отчитане на нелинейните ефекти е възможно да се получат модели, които са около 100 пъти по-точни от съществуващите досега. Анализът на тези вълни би могъл да бъде ключът към по-добро разбиране на поведението на черните дупки.
