Billedkredit: Penn State
Forskere i Penn State har nået en ny milepæl i bestræbelserne på at modellere to kredsløb i sorte huller, en begivenhed, der forventes at skabe stærke tyngdekraftsbølger. ”Vi har opdaget en måde at modellere numerisk for første gang på en bane på to inspirerende sorte huller,” siger Bernd Bruegmann, lektor i fysik og forsker ved Penn State's Institute for Gravitational Physics and Geometry. Bruegmanns forskning er del af en verdensomspændende bestræbelse på at fange den første tyngdekraftsbølge i handlingen med at rulle over Jorden.
Et papir, der beskriver disse simuleringer, vil blive offentliggjort i den 28. maj 2004-udgave af tidsskriftet Physical Review Letters. Avisen er forfatter af Bruegmann og to postdoktorer i sin gruppe i Penn State, Nina Jansen og Wolfgang Tichy.
Sorte huller beskrives af Einsteins teori om generel relativitet, som giver en meget nøjagtig beskrivelse af gravitationsinteraktionen. Einsteins ligninger er imidlertid komplicerede og notorisk svære at løse, selv numerisk. Desuden udgør sorte huller deres helt egne problemer. Inde i hvert sort hul lurer det, der er kendt som en rumtid-singularitet. Enhver genstand, der kommer for tæt, vil blive trukket til midten af det sorte hul uden nogen chance for at flygte igen, og det vil opleve enorme tyngdekræfter, der ripper det fra hinanden.
”Når vi modellerer disse ekstreme forhold på computeren, finder vi ud af, at de sorte huller ønsker at fortære og rive det numeriske gitter over punkter, som vi bruger til at tilnærme de sorte huller,” siger Bruegmann. ”Et enkelt sort hul er allerede vanskeligt at modellere, men to sorte huller i de sidste faser af deres inspirerende er langt vanskeligere på grund af den meget ikke-lineære dynamik i Einsteins teori.” Computersimuleringer af sort hulbinarier har en tendens til at blive ustabile og gå ned efter en begrænset tid, hvilket tidligere var betydeligt kortere end den tid, der kræves for en bane.
”Den teknik, vi har udviklet, er baseret på et gitter, der bevæger sig sammen med de sorte huller, minimerer deres bevægelse og forvrængning og køber os nok tid til, at de kan fuldføre en spiral bane omkring hinanden, før computersimuleringen går ned,” siger Bruegmann. Han tilbyder en analogi til at illustrere ”co-move-grid” -strategien: ”Hvis du står uden for en karrusel og du ønsker at se en person, skal du fortsætte med at bevæge dit hoved for at holde øje med ham, mens han cirkler. Men hvis du står på karrusellen, skal du kun kigge i én retning, fordi denne person ikke længere bevæger sig i forhold til dig, selvom I begge går rundt i cirkler. ”
Opførelsen af et bevægeligt gitter er en vigtig innovation i Bruegmanns arbejde. Selvom det ikke er en ny idé for fysikere, er det en udfordring at få den til at arbejde med to sorte huller. Forskerne tilføjede også en feedbackmekanisme til at foretage justeringer dynamisk, efterhånden som de sorte huller udvikler sig. Resultatet er et detaljeret skema, der faktisk fungerer i to sorte huller i cirka en bane af den spiralbevægelse.
”Selvom modellering af sorte hulinteraktioner og gravitationsbølger er et meget vanskeligt projekt, giver professor Bruegmanns resultat et godt overblik over, hvordan vi endelig kan få succes med denne simuleringsindsats,” siger Richard Matzner, professor ved University of Texas i Austin og hovedundersøger for National Science Foundation's tidligere Binary Black Hole Grand Challenge Alliance, der lagde meget af grundlaget for numerisk relativitet i 90'erne.
Abhay Ashtekar, Eberly professor i fysik og direktør for Institute for Gravitational Physics and Geometry, tilføjer, ”Den nylige simulering af professor Bruegmanns gruppe er et vartegn, fordi det åbner døren til at udføre numerisk analyse af en række sorte hulkollisioner, der er blandt de mest interessante begivenheder for tyngdekraftsastronomi. ”
Denne forskning blev finansieret af tilskud fra National Science Foundation, herunder en til Frontier Center for Gravitational Wave Physics oprettet af National Science Foundation i Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry.
Original kilde: Penn State News Release
