Bildekreditt: Penn State
Forskere ved Penn State har nådd en ny milepæl i arbeidet med å modellere to kretsende sorte hull, en hendelse som forventes å gyte sterke tyngdekraftsbølger. "Vi har oppdaget en måte å modellere numerisk en bane på to inspirerende sorte hull," sier Bernd Bruegmann, førsteamanuensis i fysikk og forsker ved Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry. Bruegmanns forskning er en del av et verdensomspennende forsøk på å fange den første tyngdekraftsbølgen i løpet av rullingen over jorden.
Et dokument som beskriver disse simuleringene vil bli publisert i 28. mai 2004-utgaven av tidsskriftet Physical Review Letters. Oppgaven er forfatter av Bruegmann og to postdoktorer i sin gruppe i Penn State, Nina Jansen og Wolfgang Tichy.
Sorte hull er beskrevet av Einsteins teori om generell relativitet, som gir en svært nøyaktig beskrivelse av gravitasjonsinteraksjonen. Einsteins ligninger er imidlertid kompliserte og notorisk vanskelig å løse selv numerisk. Videre utgjør svarte hull sine helt egne problemer. Inni hvert svart hull lurer det som er kjent som en rom-tid singularitet. Enhver gjenstand som kommer for nær vil bli trukket til midten av det sorte hullet uten noen sjanse til å rømme igjen, og det vil oppleve enorme gravitasjonskrefter som ripper det fra hverandre.
"Når vi modellerer disse ekstreme forholdene på datamaskinen, finner vi ut at de sorte hullene ønsker å sluke og rive fra hverandre det numeriske rutenettet for punkter som vi bruker for å tilnærme de svarte hullene," sier Bruegmann. "Et enkelt svart hull er allerede vanskelig å modellere, men to sorte hull i sluttfasen av deres inspirasjon er langt vanskeligere på grunn av den svært ikke-lineære dynamikken i Einsteins teori." Datasimuleringer av svart hull binærene har en tendens til å bli ustabile og krasje etter en begrenset tid, noe som pleide å være betydelig kortere enn tiden som kreves for en bane.
"Teknikken vi har utviklet er basert på et rutenett som beveger seg sammen med de sorte hullene, minimerer bevegelse og forvrengning, og kjøper oss nok tid til at de kan fullføre en spiralende bane rundt hverandre før datasimuleringen krasjer," sier Bruegmann. Han tilbyr en analogi for å illustrere strategien for “co-move raster”: “Hvis du står utenfor en karusell og ønsker å se på en person, må du fortsette å bevege hodet for å fortsette å se på ham mens han sirkler. Men hvis du står på karusellen, må du bare se i én retning fordi vedkommende ikke lenger beveger seg i forhold til deg, selv om dere begge går rundt i sirkler. ”
Bygging av et bevegelsesnett er en viktig innovasjon i Bruegmanns arbeid. Selv om det ikke er en ny idé for fysikere, er det en utfordring å få den til å fungere med to sorte hull. Forskerne la også til en tilbakemeldingsmekanisme for å gjøre justeringer dynamisk etter hvert som de sorte hullene utvikler seg. Resultatet er et forseggjort skjema som faktisk fungerer for to sorte hull i omtrent en bane av den spiralende bevegelsen.
"Selv om modellering av sorte hullinteraksjoner og gravitasjonsbølger er et veldig vanskelig prosjekt, gir professor Bruegmanns resultat et godt syn på hvordan vi endelig kan lykkes med denne simuleringsinnsatsen," sier Richard Matzner, professor ved University of Texas i Austin og hovedetterforsker ved National Science Foundations tidligere Binary Black Hole Grand Challenge Alliance som la mye av grunnlaget for numerisk relativitet på 90-tallet.
Abhay Ashtekar, Eberly professor i fysikk og direktør ved Institutt for gravitasjonsfysikk og geometri, legger til, "Den nylige simuleringen av professor Bruegmanns gruppe er et landemerke fordi det åpner døren for å utføre numerisk analyse av en rekke kollisjoner av svart hull som er blant de mest interessante begivenhetene for gravitasjonsbølge-astronomi. ”
Denne forskningen ble finansiert av tilskudd fra National Science Foundation, inkludert en til Frontier Center for Gravitational Wave Physics etablert av National Science Foundation i Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry.
Originalkilde: Penn State News Release
