Гравитационное взаимодействие двух черных дыр помогла описать квантовая теория

Фото из открытых источников

Международной командой астрономов создана максимально точная на сегодняшний день модель гравитационных волн, формирующихся при столкновении двух черных дыр. Неожиданно расчеты выявили реальность геометрических структур, используемых физиками в теории струн. Это дает возможность нового взгляда на математические инструменты, применяемые для описания астрофизических явлений, констатирует Nature.

Альбертом Эйнштейном было предсказано существование гравитационных волн. Данное излучение возникает при деформации пространства-времени под действием массивных космических объектов, в частности, черных дыр или нейтронных звезд.

Лишь через столетие удалось подтвердить эту гипотезу. В 2015 году впервые аппаратно зафиксировали гравитационные волны от слияния черных дыр и нейтронных звезд. Порзднее детекторы LIGO, KAGRA и Virgo помогли выявить более сотни подобных событий.

Для интерпретации таких сигналов используются сложные модели, создаваемые суперкомпьютерами. Но они имеют свои ограничения. Группа ученых Университета Гумбольдта в Берлине сумела разработать алгоритм беспрецедентной точности, что нестандартно описал взаимодействие двух черных дыр. Обычно учёные сосредоточивают внимание на их слиянии, а здесь они изучили их рассеяние - гравитационное взаимодействие, возникающее, при сближении черных дыр, когда траектории отклоняются, но слияния не происходит.

Притягиваемые гравитацией, черные дыры в этом случае движутся по спиральной траектории вокруг друг друга без столкновения. Такой «балет» постоянно генерирует гравитационные волны, и их эксперты смоделировали с помощью инновационных математических и вычислительных методов, используя и инструменты квантовой теории поля — дисциплины, применяемой обычно для изучения взаимодействий элементарных частиц.

Так удалось достичь, после более 300 000 часов обработки на высокопроизводительных компьютерах, «пятого порядка пост-Минковского» — максимума точности из когда-либо полученных для подобного типа гравитационного взаимодействия.

Также расчеты показали наличие пространств Калаби-Яу — сложных шестимерных геометрических структур, играющих ключевую роль в теории струн, объединяющей квантовую механику с общей теорией относительности Эйнштейна. До сих пор пространства Калаби-Яу считались чисто математическими конструкциями, но их логичное появление в моделях позволяет делать осторожный вывод о их решающей роли в физическом описании некоторых астрофизических событий.

Новые результаты обогатят симуляции, что разрабатываются на базе данных будущей европейской обсерватории Einstein Telescope, нацеленной на то, чтобы впервые напрямую измерить эффекты рассеяния. Что позволит обнаруживать сигналы от черных дыр, движущихся по сильно вытянутым орбитам со скоростями, близкими к скорости света. Именно такие экстремальные режимы сегодня бросают вызов привычным теориям об этих космических объектах.