Гравитационный танец черных дыр выявил геометрию из теории струн

Международная группа астрономов представила наиболее точную модель гравитационных волн, возникающих при сближении черных дыр. В расчетах неожиданно проявились геометрические структуры, ранее известные по теории струн, что дало новый взгляд на способы математического описания космических явлений.


Гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном после создания общей теории относительности, возникают при деформации пространства-времени из-за массивных тел. Почти сто лет спустя гипотеза подтвердилась — в 2015 году ученые зафиксировали излучение от столкновения черных дыр и нейтронных звезд. С тех пор с помощью установок LIGO, KAGRA и Virgo зарегистрировано более сотни таких событий. Их расшифровка требует сложных вычислений, основанных на моделях, создаваемых суперкомпьютерами. Метод требует больших ресурсов, остается медленным и не всегда достаточно точным. Детекторам для анализа сигналов нужны десятки миллионов возможных форм гравитационных волн.

Исследователи из Университета Гумбольдта в Берлине совместно с коллегами разработали новую модель взаимодействия черных дыр. Вместо традиционного анализа слияния они сосредоточились на процессе рассеяния — когда черные дыры приближаются, но не сталкиваются, а отклоняются под действием гравитации. При этом создаются гравитационные волны, характеристики которых ученые описали с рекордной точностью. По словам Яна Плефки, руководителя группы «Квантовая теория поля и струн» в Институте физики HU, несмотря на кажущуюся простоту, математическое описание процесса требует высокой точности.

Во время рассеяния черные дыры движутся по спирали, отдаляясь друг от друга после сближения. Эти движения порождают гравитационные волны, для описания которых команда применила методы квантовой теории поля. Такой подход, используемый обычно в физике элементарных частиц, позволил точно рассчитать параметры взаимодействия — угол рассеяния, отклонение и выделившуюся энергию. Все расчеты выполнили с использованием мощных вычислительных систем, задействовав более 300 000 часов машинного времени.

Результаты, опубликованные в журнале Nature, показали достижение «пятого порядка пост-Минковского» — предельного уровня точности в моделировании такого типа гравитационных взаимодействий. Неожиданным стало появление в расчетах пространств Калаби-Яу — шестимерных структур, известных из теории струн. Эти формы до сих пор считались абстрактными объектами, не связанными с реальными наблюдениями. Теперь они могут иметь значение в описании астрофизических процессов.

Бенджамин Зауэр, аспирант Гумбольдтского университета и соавтор работы, отметил, что появление геометрий Калаби-Яу углубляет представление о связи между математикой и физикой. Новые данные способны повлиять на развитие гравитационно-волновой астрономии, улучшив интерпретацию сигналов, полученных от космических объектов.

Итоги исследования могут использоваться при разработке моделей для обсерваторий следующего поколения, включая Einstein Telescope. Эта установка, как предполагается, впервые позволит напрямую измерить эффекты рассеяния. По словам Густава Могулла, участвовавшего в исследовании представителя Лондонского университета Королевы Марии, высокая точность расчетов необходима для соответствия возможностям новых детекторов. Особенно это важно для анализа сигналов от черных дыр, движущихся по вытянутым орбитам с околосветовыми скоростями, что выходит за рамки традиционных теорий.

Читайте также: