Před deseti lety astrofyziky na laserové interferometru gravitační vlny observatoře (LIGO), provozovanou Kalifornským technologickým institutem a Massachusetts Institute of Technology, poprvé podařilo detekovat jemné vlnky v časoprostoru zvaném Gravitational Waves, která byla propuštěna párem černých jamek, která se do sebe navzájem spirálovila. Že Působivý objev—Ho, který vydělal 2017 Nobelova cena za fyziku– Od té doby se stane samozřejmostí, s vědci pravidelně detekuje Gravitační vlny z nesčetných velmi vzdálených nebeských zdrojů.
A jak se počet pozorování gravitačních vln zvýšil, pečlivé modelování fyziků odhaluje nové podrobnosti o jejich tajemném původu. Ukázalo se, že některé z nejzajímavějších gravitačních vlnových událostí by nemohly vzniknout z katastrofických kolizí, ale spíše z blízkých chyb. Navíc by tato kosmická blízká volání mohla být nejlépe pochopena pomocí konceptů odvozených Teorie řetězců—Jatativní teorie všeho, co předpokládá, že celá příroda je v zásadě složena z nesčetných, chroutících subatomických řetězců. To pravděpodobně znamená první propojení k dnešnímu dni mezi hlavním matematickým aspektem tajemné teorie a astrofyzikou v reálném světě.
Alespoň to je závěr mezinárodního týmu vědců, který aplikoval geometrické struktury inspirované fyzikou částic a teorií strun k chování černých děr, když kolosální objekty úzce procházejí a odkloní se. Takové interakce mezi černými otvory nebo neutronovými hvězdami (kompaktní zbytky explodovaných masivních hvězd) lze studovat prostřednictvím úhlu vychylování, energii uvolněnou prostřednictvím blízké slečny a hybností zpětného rázu objektů – jejichž všechny mohou být rozeznatelné v gravitačních vlnách. Výsledky týmu byly Publikováno v časopise Příroda ve středu.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Černé díry jako částice
Ve své studii vědci použili nejasnou třídu abstraktních matematických funkcí k vyřešení impozantních rovnic zapojených do určování vyzařované energie z téměř slečny. „Potřebujete tyto nové funkce, které byly v matematice a matematické fyzice intenzivně studovány, ale dosud se neobjevily v žádném skutečném fyzickém pozorování. To je docela zajímavé,“ říká Jan Plefka, teoretický fyzik na Humboldtově univerzitě v Berlíně a spoluautora nové studie. Ty nejasné funkce, známé jako šestirozměrné Calabi-Todayovy potrubínikdy předtím nebyl prokázán jako přímo relevantní pro popisy skutečných astrofyzikálních jevů.
V letech od počáteční detekce Ligo, dvě další hlavní gravitační vlnové observatoře, Evropa Panna a japonský detektor kamioka gravitační vlny (Kagra), přišli online. Společně tvoří mezinárodní spolupráci Ligo-Virgo-Kagra a za poslední desetiletí nashromáždily detekce téměř 300 gravitačních vlnových událostí, většinou z kolizování párů černých děr. Také nazývané Black Hole „Fúze“ jsou takové události kakofonickým okamžikem, kdy se tyto husté gravitační monstruha rozbíjí, aby vytvořily jediné, větší zvíře. Plefka a jeho kolegové studují různé interakce známé jako „rozptylové“ události, které se vyskytují, když se navzájem proklouznou párové černé díry, obvykle předehru k jejich eventuální koalescenci. Během těchto blízkých setkání způsobuje střet gravitace černých otvorů, že se každý zrychluje kolem druhého a generuje významný signál gravitační vlny, ale objekty jsou dostatečně odděleny, aby se zabránilo sloučení.
Není náhodou, že se to podobá elementárním částicím, které se navzájem odchylují. „Techniky vyvinuté pro rozptyl mikroskopických objektů můžete použít k popisu tohoto rozptylu makroskopických,“ říká Plefka. Zvažovaný z dostatečně daleko, daleko za horizontem událostí – že klíčová oblast, v níž nemůže uniknout ani záležitost ani světlo – může být černá díra modelována jako částice částice s hmotou a rotací, i když, které vytváří spíše gravitační než elektromagnetické vlny.
Na tomto základě Plefka a jeho kolegové aplikovali techniky z teorie kvantového pole, které se obvykle používají k analýze chování elementárních částic. „Stavíme na desetiletích práce, která byla provedena pro předpovědi pro experimenty s Colliderem,“ říká Gustav Mogull, fyzik částic na Londýně Queen Mary University of London a jeden ze spoluautorů Plefky.
Blíže ke složité realitě
Cílem týmu bylo přinést své numerické aproximace co nejblíže k zrcadlení reality – což samozřejmě má tendenci být chaotičtější. Za tímto účelem, Mogull, Plefka a jejich tým se rozběhli, aby se zvedli složitost jejich výpočtů. V této práci vědci začlenili pět úrovní této složitosti-do toho, co je známé jako pátý post-minkowskian Order precize-pro popis rozptylových úhlů párů černých dír, jejich vyzařované energie a jejich zpětné zpětné vzpomínky.
Zde přicházejí geometrické struktury Calabi-yau, obvykle spojené s teorií strun. V teorii strun zahrnují geometrie Calabi-yau kompaktifikace vyšších rozměrů. Zde se nejedná pouze o abstrakce, ale místo toho vyplývají z výpočtů vědců o rozptylu černé díry. Je to možná ironická, že teorie strun, notoricky se rozlišila jako netestovatelnývedlo k matematickým strukturám, které mají význam pro měřitelnou fyziku daleko od vzácné říše řetězců.
Vizualizace dvou černých děr se rozptylují a vyzařují gravitační vlny, které jsou vykresleny v odstínech modré (tmavší odstíny odpovídají vyššímu energii). Tato vizualizace byla vypočtena pomocí pokročilých matematických funkcí známých jako Calabi-yau potrubí.
Mathias Driesse/Humboldt University v Berlíně
Jakákoli matematická funkce je spojena s nějakým druhem geometrie, vysvětluje Mogull – a jak se funkce zvyšuje složitostí, také dělá jeho geometrii. V případě něčeho základního, jako jsou sinusové nebo kosinové funkce používané v trigonometrii, je tato geometrie jednoduchým kruhem. Na druhé straně eliptické funkce znamenají geometrii ve tvaru horka zvané torus, která je také jednorázová Calabi-Yau. Ukazuje se, že funkce Mogull, Plefka a jejich tým se vyvinuli pro rozptyl černé díry, jsou spojeny s trojnásobnými strukturami Calabi-Yau, které zahrnují šestirozměrné povrchy. „Nemyslím si, že vzhled Calabi-Yaus byl.“ že neočekávané v naší komunitě. Řekl bych, že to představuje potvrzení něčeho, co lidé měli podezření, ale ještě museli být ověřeni, “říká Mogull.
Aby Plefka, Mogull a jejich kolegové demonstrovali užitečnost jejich přístupu ve své studii Takové simulace mohou být časově náročné na běh, a to i na nejmodernějších superpočítačích-proto hledání přesných aproximací. Aproximace nejvyššího řádu týmu úzce odpovídá výsledkům čísla superpočítače, který se drží pro případy černých děr, které se jemně odkloní na velké vzdálenosti. Když se však černé díry přiblíží k čelní kolizi, výpočty týmu se začnou lišit od numerických simulací.
Cesta před námi
Taková práce se může zdát jako čistě akademické cvičení, ale ve skutečnosti by se výzkum mohl ukázat jako zásadní pro nové objevy. Signály z rozptylu černých děr a neutronových hvězd by měly být na dosah příští generace Gravitační vlnové detektory, které mají být online na konci 30. let. Tyto detektory, které budou také potřebovat novou generaci modelů zvaných šablony tvaru vlny, aby rozeznaly skutečné gravitační signály vlny z moře kosmického a pozemního hluku, zahrnují navrhovaný einstein dalekohled v Evropě a kosmický průzkumník v USA, jako je Ligo, je podporován národní vědeckou nadací, a tyto druhy se zatěžují, a zatěžují by se s nimi zabránit, a zatěžují se, a zaráží na Gravitationate. přímo cílený podle Trumpova administrativy agresivní navrhováno řezy fEderálně financovaná věda.
Vyhlídka práce na posílení našeho porozumění zdrojům gravitačních vln vzrušuje vědce, kteří se připravují na tuto novou vlnu detektorů. Patří mezi ně Jocelyn Read, fyzik na Kalifornské státní univerzitě, Fullerton, který pracuje s projektem Cosmic Explorer. „Zařízení nové generace mohou měřit nedaleké signály s vynikající věrností,“ říká. (Zde „poblíž“ znamená „v několika miliardách světelných let.
Při posuzování významu Plefky, Mogullu a jejich kolegů však také naléhá na opatrnost. „Pokud mluví o důsledcích pro astronomii gravitační vlny, existuje několik dalších kroků, které jsou zapotřebí,“ říká. A jejich tým má také konkurenty, včetně některých, kteří nasazovali vlastní numerické simulace.
Tyto druhy přibližných metod by mohly nakonec informovat šablony tvaru vlny, které jsou tak zásadní pro odfiltrování šumu v nadcházejících gravitačních vlnových detektorech, říká Plefka. Geraint Pratten, fyzik Ligo na University of Birmingham v Anglii, souhlasí. „Myslím, že se jedná o hrdinský výpočet skupiny. Poskytne to hodně nahlédnutí do toho, jak můžeme strukturovat modely vlny nové generace,“ říká. Pratten dodává, že pro přesun omezení nové studie bude nutné udělat více práce. Například papír se zaměřuje na černé díry bez rotace a ty, které podléhají „nevázanému“ rozptylu, což znamená, že se navzájem odkloní a už nikdy se nesetkají. Ve skutečnosti se předpokládá, že většina, ne -li všechny, černých děr se točí a obvykle rozptylují události předcházející eventuální fúzi.
Ale v každém případě věří, že některé gravitační vlny z černé díry a výchylky neutronové hvězdy budou nakonec detekovatelné, například pozorováním globulární klastryTam, kde jsou tyto husté objekty zabaleny dohromady v malém prostoru, kosmicky řečeno.
Pro Plefka, Mogull a jejich vrstevníky je tato makroskopická verze teorie kvantového pole stále mladým polem a existuje mnoho nových typů astrofyzicky relevantních výpočtů, které oni a další mohou udělat. Tyto esoterické struktury Calabi-yau, dříve na hranici teoretické fyziky, by mohly být jen začátek. „Měl jsi celou tuto novou třídu matematických funkcí – tyto teoretické věci, které se objevily v teorii strun,“ říká Mogull. „A my říkáme:“ Podívej, to je hmatatelné. Toto (vyzařovaná energie z rozptylu) je něco, co se můžete pokusit detekovat, zkusit měřit. To je nemovitý Fyzika teď. ““
