Физики впервые увидели полную судьбу гравитационной волны, от рождения до рассеяния в вечности
NewsMakerИ чёрная дыра не поглотила всё — часть волны вернулась обратно, чтобы рассказать, каково там внутри.
Впервые учёным удалось проследить путь гравитационной волны от самой вечности — сквозь чёрную дыру — до другого края бесконечности. Звучит как метафора, но это результат реального эксперимента, проведённого физиками из Новой Зеландии и опубликованного в журнале Physical Review Letters. Исследователи из университетов Отаго и Кентербери смогли вычислительно охватить полную картину рассеяния гравитационной волны — от её зарождения на «границе прошлого» до финального ухода в «границу будущего».
Это стало первым случаем, когда в одной и той же симуляции удалось проследить всю причинно-следственную цепочку гравитационного взаимодействия, включая то, как волна входит в криволинейное пространство-время чёрной дыры, и как часть её энергии уходит обратно в космос. До этого момента ни одна модель не могла охватить обе бесконечности: где волна появляется и куда она уходит, если ничто не встанет у неё на пути.
Проблема, которую решали учёные, называется задачей рассеяния в гравитационной физике. Речь идёт о том, что происходит, когда гравитационные волны сталкиваются с массивными объектами — например, с чёрными дырами — и отчасти отражаются обратно. Чтобы описать процесс точно, необходимо учитывать крайние участки пространства-времени: так называемые бесконечно удалённые границы, или null infinities. Именно на них волны приходят и откуда исчезают.
Такие гравитационные волны возникают на границе прошлого (past null infinity), а уходят в направлении границы будущего (future null infinity). Это не поэтический образ, а строго определённые границы пространства-времени, где волны света и гравитации либо появляются, либо исчезают, если ничем не прерваны. Именно они представляют собой точку отсчёта при изучении того, как волны взаимодействуют с кривизной пространства, создаваемой чёрной дырой.
Профессор Йёрг Фрауендинер, доктор Крис Стивенс и исследователь Себенеле Твала объясняют: только полное включение этих границ позволяет точно оценить энергию и импульс всей системы. Это даёт возможность понять, сколько энергии волны поглощается чёрной дырой, а сколько возвращается во внешнее пространство. Такие оценки невозможны без учёта бесконечно удалённых областей, которые в обычных симуляциях просто отсутствуют.
Чтобы преодолеть это ограничение, команда использовала уникальный математический подход — обобщённые конформные уравнения поля Фридриха (Friedrich's GCFE). Это не просто теоретический инструмент: он позволяет «сжать» бесконечность и уместить её в конечную вычислительную область, не теряя при этом физического смысла. Другими словами, бесконечность становится доступной для численного анализа.
На основе этих уравнений учёные разработали собственную программную платформу — COnFormal Field Equation Evolver, сокращённо COFFEE. С её помощью они провели серию симуляций, где гравитационные волны с разной амплитудой сталкивались с идеальной сферически симметричной чёрной дырой Шварцшильда. В результате удалось получить полную модель рассеяния: от момента, когда волна появляется, до того, как она достигает будущего края Вселенной.
Особое внимание исследователи уделили сравнению энергий: сколько волна несла изначально, сколько осталось после столкновения, и сколько исчезло внутри горизонта событий. Результаты оказались показательно жёсткими: пространство-время ведёт себя как почти упругий, но сильно поглощающий материал. Для волн с низкой амплитудой обратно в бесконечность уходило всего 8,5% энергии, а остальное поглощалось чёрной дырой. Даже при сильных амплитудах максимум, который удалось «спасти», составлял около 20%.
Чтобы измерять эти значения строго, команда использовала два классических понятия из общей теории относительности: энергию Бонди и новости Бонди (Bondi energy и Bondi news). Первая определяет общую энергию, содержащуюся в световом конусе, расходящемся из определённой точки, а вторая показывает наличие или отсутствие излучения. Если «новости» ненулевые — значит, действительно есть гравитационные волны. Эти параметры особенно важны, потому что позволяют проверять закон сохранения энергии даже в изогнутом пространстве.
Точность, с которой удалось соблюсти закон сохранения, впечатляет. Расчёты совпали практически идеально, что говорит о высокой надёжности самой модели. Более того, во время симуляций проявились интересные нелинейные эффекты: хотя исходная волна задавалась простой формой, на выходе появлялись дополнительные моды, вызванные обратной реакцией. Это явление, при котором волны сами изменяют пространство, по которому распространяются, и генерируют новые волны.
На финальной стадии симуляции — при достижении будущей бесконечности — в поведении излучения возникли характерные колебания, известные как квазинормальные звуки (quasinormal ringing). Это как звенящий отклик чёрной дыры на любое возмущение: её естественная частота, которая не зависит от формы или силы входящего сигнала. Такой эффект напоминает послесвист колокола и показывает, что в конечном счёте всё возвращается к собственным характеристикам самой дыры.
Полученные данные имеют большое значение для современной астрофизики. Наблюдательные установки вроде LIGO и Virgo уже фиксируют гравитационные волны от слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд, но пока не могут точно определить, как именно волна преломляется, поглощается и отражается вблизи горизонта событий. Новая методика позволяет впервые строго и последовательно установить, сколько энергии на самом деле «прошло» сквозь чёрную дыру, а сколько вернулось наружу.
Однако и в этой модели есть ограничения. Профессор Фрауендинер уточняет: пока что начальная волна задаётся не на самой границе прошлого, а ближе к её окрестности. В будущем хотелось бы задавать её точно на past null infinity и затем прослеживать весь путь вплоть до конца. Это сделает симуляции ещё более реалистичными и позволит исключить начальные искажения.
Тем временем команда сосредоточится на изучении глобальных свойств задачи рассеяния — то есть на более фундаментальных аспектах взаимодействия волн и кривизны. Переход к более сложным системам пока отложен, ведь для начала важно разобраться в базовых закономерностях, действующих даже при идеальных условиях. Подобные достижения в области моделирования физических процессов открывают новые горизонты для понимания Вселенной.
Впервые учёным удалось проследить путь гравитационной волны от самой вечности — сквозь чёрную дыру — до другого края бесконечности. Звучит как метафора, но это результат реального эксперимента, проведённого физиками из Новой Зеландии и опубликованного в журнале Physical Review Letters. Исследователи из университетов Отаго и Кентербери смогли вычислительно охватить полную картину рассеяния гравитационной волны — от её зарождения на «границе прошлого» до финального ухода в «границу будущего».
Это стало первым случаем, когда в одной и той же симуляции удалось проследить всю причинно-следственную цепочку гравитационного взаимодействия, включая то, как волна входит в криволинейное пространство-время чёрной дыры, и как часть её энергии уходит обратно в космос. До этого момента ни одна модель не могла охватить обе бесконечности: где волна появляется и куда она уходит, если ничто не встанет у неё на пути.
Проблема, которую решали учёные, называется задачей рассеяния в гравитационной физике. Речь идёт о том, что происходит, когда гравитационные волны сталкиваются с массивными объектами — например, с чёрными дырами — и отчасти отражаются обратно. Чтобы описать процесс точно, необходимо учитывать крайние участки пространства-времени: так называемые бесконечно удалённые границы, или null infinities. Именно на них волны приходят и откуда исчезают.
Такие гравитационные волны возникают на границе прошлого (past null infinity), а уходят в направлении границы будущего (future null infinity). Это не поэтический образ, а строго определённые границы пространства-времени, где волны света и гравитации либо появляются, либо исчезают, если ничем не прерваны. Именно они представляют собой точку отсчёта при изучении того, как волны взаимодействуют с кривизной пространства, создаваемой чёрной дырой.
Профессор Йёрг Фрауендинер, доктор Крис Стивенс и исследователь Себенеле Твала объясняют: только полное включение этих границ позволяет точно оценить энергию и импульс всей системы. Это даёт возможность понять, сколько энергии волны поглощается чёрной дырой, а сколько возвращается во внешнее пространство. Такие оценки невозможны без учёта бесконечно удалённых областей, которые в обычных симуляциях просто отсутствуют.
Чтобы преодолеть это ограничение, команда использовала уникальный математический подход — обобщённые конформные уравнения поля Фридриха (Friedrich's GCFE). Это не просто теоретический инструмент: он позволяет «сжать» бесконечность и уместить её в конечную вычислительную область, не теряя при этом физического смысла. Другими словами, бесконечность становится доступной для численного анализа.
На основе этих уравнений учёные разработали собственную программную платформу — COnFormal Field Equation Evolver, сокращённо COFFEE. С её помощью они провели серию симуляций, где гравитационные волны с разной амплитудой сталкивались с идеальной сферически симметричной чёрной дырой Шварцшильда. В результате удалось получить полную модель рассеяния: от момента, когда волна появляется, до того, как она достигает будущего края Вселенной.
Особое внимание исследователи уделили сравнению энергий: сколько волна несла изначально, сколько осталось после столкновения, и сколько исчезло внутри горизонта событий. Результаты оказались показательно жёсткими: пространство-время ведёт себя как почти упругий, но сильно поглощающий материал. Для волн с низкой амплитудой обратно в бесконечность уходило всего 8,5% энергии, а остальное поглощалось чёрной дырой. Даже при сильных амплитудах максимум, который удалось «спасти», составлял около 20%.
Чтобы измерять эти значения строго, команда использовала два классических понятия из общей теории относительности: энергию Бонди и новости Бонди (Bondi energy и Bondi news). Первая определяет общую энергию, содержащуюся в световом конусе, расходящемся из определённой точки, а вторая показывает наличие или отсутствие излучения. Если «новости» ненулевые — значит, действительно есть гравитационные волны. Эти параметры особенно важны, потому что позволяют проверять закон сохранения энергии даже в изогнутом пространстве.
Точность, с которой удалось соблюсти закон сохранения, впечатляет. Расчёты совпали практически идеально, что говорит о высокой надёжности самой модели. Более того, во время симуляций проявились интересные нелинейные эффекты: хотя исходная волна задавалась простой формой, на выходе появлялись дополнительные моды, вызванные обратной реакцией. Это явление, при котором волны сами изменяют пространство, по которому распространяются, и генерируют новые волны.
На финальной стадии симуляции — при достижении будущей бесконечности — в поведении излучения возникли характерные колебания, известные как квазинормальные звуки (quasinormal ringing). Это как звенящий отклик чёрной дыры на любое возмущение: её естественная частота, которая не зависит от формы или силы входящего сигнала. Такой эффект напоминает послесвист колокола и показывает, что в конечном счёте всё возвращается к собственным характеристикам самой дыры.
Полученные данные имеют большое значение для современной астрофизики. Наблюдательные установки вроде LIGO и Virgo уже фиксируют гравитационные волны от слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд, но пока не могут точно определить, как именно волна преломляется, поглощается и отражается вблизи горизонта событий. Новая методика позволяет впервые строго и последовательно установить, сколько энергии на самом деле «прошло» сквозь чёрную дыру, а сколько вернулось наружу.
Однако и в этой модели есть ограничения. Профессор Фрауендинер уточняет: пока что начальная волна задаётся не на самой границе прошлого, а ближе к её окрестности. В будущем хотелось бы задавать её точно на past null infinity и затем прослеживать весь путь вплоть до конца. Это сделает симуляции ещё более реалистичными и позволит исключить начальные искажения.
Тем временем команда сосредоточится на изучении глобальных свойств задачи рассеяния — то есть на более фундаментальных аспектах взаимодействия волн и кривизны. Переход к более сложным системам пока отложен, ведь для начала важно разобраться в базовых закономерностях, действующих даже при идеальных условиях. Подобные достижения в области моделирования физических процессов открывают новые горизонты для понимания Вселенной.