Bildkredit: Penn State
Forskare vid Penn State har nått en ny milstolpe i försöket att modellera två kretsande svarta hål, en händelse som förväntas leda till starka gravitationsvågor. "Vi har upptäckt ett sätt att modellera numeriskt, för första gången, en bana av två inspirerande svarta hål," säger Bernd Bruegmann, docent i fysik och forskare vid Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry. Bruegmanns forskning är en del av en världsomspännande strävan att fånga den första tyngdkraftsvågen i rollen över jorden.
Ett dokument som beskriver dessa simuleringar kommer att publiceras i 28 maj 2004-utgåvan av tidskriften Physical Review Letters. Uppsatsen är författad av Bruegmann och två postdoktorer i hans grupp i Penn State, Nina Jansen och Wolfgang Tichy.
Svarta hål beskrivs av Einsteins teori om allmän relativitet, som ger en mycket exakt beskrivning av gravitationsinteraktionen. Men Einsteins ekvationer är komplicerade och notoriskt svåra att lösa även numeriskt. Dessutom utgör svarta hål sina egna problem. Inuti varje svarta hål lurar det som kallas en rymd-tid singularitet. Varje föremål som kommer för nära kommer att dras till mitten av det svarta hålet utan någon chans att fly igen, och det kommer att uppleva enorma gravitationskrafter som rivar det isär.
"När vi modellerar dessa extrema förhållanden på datorn, finner vi att de svarta hålen vill sluka och riva isär det numeriska rutnätet för punkter som vi använder för att ungefärliga svarta hålen," säger Bruegmann. "Ett enda svart hål är redan svårt att modellera, men två svarta hål i de sista stadierna av deras inspirerande är mycket svårare på grund av den mycket olinjära dynamiken i Einsteins teori." Datorsimuleringar av svarthålsbinarier tenderar att bli instabila och krascha efter en begränsad tid, vilket brukade vara betydligt kortare än den tid som krävs för en bana.
"Den teknik vi har utvecklat är baserad på ett rutnät som rör sig tillsammans med de svarta hålen, minimerar deras rörelse och distorsion och köper oss tillräckligt med tid för att de ska kunna fullfölja en spiralbana runt varandra innan datorsimuleringen kraschar," säger Bruegmann. Han erbjuder en analogi för att illustrera strategin för “co-rörande rutnät”: ”Om du står utanför en karusell och vill titta på en person, måste du fortsätta att flytta huvudet för att fortsätta titta på honom när han cirklar. Men om du står på karusellen måste du bara titta i en riktning eftersom den personen inte längre rör sig i relation till dig, även om ni båda går runt i cirklar. ”
Konstruktion av ett rörligt rutnät är en viktig innovation i Bruegmanns arbete. Även om det inte är en ny idé för fysiker, är det en utmaning att få den att fungera med två svarta hål. Forskarna har också lagt till en feedbackmekanism för att göra justeringar dynamiskt när svarta hål utvecklas. Resultatet är ett utarbetat schema som faktiskt fungerar för två svarta hål i ungefär en bana av den spiralrörelsen.
"Även om modellering av svarthålsinteraktioner och gravitationsvågor är ett mycket svårt projekt, ger professor Bruegmanns resultat en bra bild av hur vi äntligen kan lyckas med denna simuleringsinsats," säger Richard Matzner, professor vid University of Texas i Austin och huvudutredare för National Science Foundation: s tidigare Binary Black Hole Grand Challenge Alliance som lägger mycket av grunden för numerisk relativitet på 90-talet.
Abhay Ashtekar, Eberly professor i fysik och chef för institutet för gravitationsfysik och geometri, tillägger, ”Den senaste simuleringen av professor Bruegmanns grupp är ett landmärke eftersom det öppnar dörren för att utföra numerisk analys av en mängd kollisioner i svart hål som är bland de mest intressanta händelserna för gravitationsvågastronomin. ”
Denna forskning finansierades av bidrag från National Science Foundation inklusive en till Frontier Center for Gravitational Wave Physics inrättad av National Science Foundation i Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry.
Originalkälla: Penn State News Release
