Что на самом деле происходит, когда рябь пространства-времени встречает черную дыру? Первое моделирование отголосков из прошлого в будущее

Представьте, что вы бросили камень в идеально гладкий пруд. Круги по воде — это почти как гравитационные волны, рябь самой ткани пространства-времени, предсказанная Эйнштейном и наконец-то пойманная нашими детекторами. Здорово, правда? А теперь представьте, что посреди пруда плавает огромный, тяжелый шар — аналог черной дыры. Что произойдет, когда волна до него доберется? Просто исчезнет в нем? Или будет что-то поинтереснее? Вот над этим «поинтереснее» и бьются ученые, пытаясь понять, как гравитационные волны взаимодействуют, или, говоря научным языком, рассеиваются на таких космических монстрах.

Задачка со звездочкой: поймать волну от начала и до конца

Казалось бы, что сложного? Есть уравнения Эйнштейна, есть мощные компьютеры — считай себе на здоровье. Но дьявол, как обычно, в деталях. Чтобы полностью понять картину рассеяния, нам нужно проследить за волной от момента, когда она только-только приближается к черной дыре из «бесконечно далекого прошлого», и до тех пор, пока ее «эхо» не улетит в «бесконечно далекое будущее».

И вот тут-то и начинается самое веселое. Бесконечность — штука хитрая. В обычных моделях ее, так сказать, «обрезают», рассматривая лишь конечную область. Но тогда мы теряем важную информацию о приходящих и уходящих сигналах. Представьте, что вы пытаетесь изучить эхо в горах, но слышите только сам крик, а отраженный звук до вас не доходит, потому что вы слишком близко к скале. Непорядок!

Ученые давно придумали изящный математический трюк — конформное преобразование. Если по-простому, это как надеть специальные очки, которые «сжимают» бесконечно далекие области пространства-времени так, что они становятся видимыми и достижимыми для расчетов. Благодаря этому мы можем говорить о таких вещах, как прошлая нулевая бесконечность (откуда все началось), и будущая нулевая бесконечность (куда все устремилось). Это, по сути, «горизонты» для световых лучей и гравитационных волн.

Новый взгляд на старые уравнения

Но даже с «волшебными очками» конформного преобразования стандартные методы расчетов часто дают сбой, когда нужно охватить обе бесконечности одновременно. Большинство подходов хорошо работают либо с «прошлым», либо с «будущим». А как же быть, если хочется увидеть всю картину целиком?

И вот тут на сцену выходят герои недавнего исследования — Йорг Фрауендинер и его коллеги. Они взяли на вооружение довольно продвинутый математический аппарат, известный как Общие Конформные Уравнения Поля (GCFE), разработанный Хельмутом Фридрихом. Не пугайтесь аббревиатуры! Суть в том, что эти уравнения изначально «заточены» под работу с конформно преобразованным пространством-временем и позволяют элегантно обращаться с этими самыми бесконечностями.

Чтобы все это заработало как надо, ученые применили еще одну хитрость — так называемую конформную калибровку Гаусса. Это особый способ выбрать систему координат, который сильно упрощает уравнения и делает расчеты более устойчивыми. Представьте, что вы настраиваете микроскоп: правильная фокусировка (калибровка) позволяет увидеть четкую картинку.

Вооружившись этим инструментарием, команда смоделировала следующую ситуацию: статичная (не вращающаяся) черная дыра Шварцшильда и налетающая на нее гравитационная волна. Причем волну «запускали» с прошлой нулевой бесконечности, а затем наблюдали, что произойдет на будущей. Прямо как в настоящем эксперименте по рассеянию, только в компьютерной симуляции!

Что же показал «гравитационный детектор»?

И результаты оказались весьма любопытными!

Во-первых, ученые смогли точно посчитать так называемую энергию Бонди — это энергия, которую гравитационные волны уносят на бесконечность. И сделали это как для приходящих волн, так и для уходящих. А еще они отследили «новости Бонди" — это, по сути, информация о форме и интенсивности самих волн.

Выяснилось, что черная дыра — это вам не просто пассивный поглотитель. Когда на нее налетает гравитационная волна, она начинает, так сказать, «вибрировать» и сама излучать волны в ответ. Это похоже на то, как колокол отзывается на удар — он не просто поглощает энергию, а начинает звенеть, порождая звуковые волны. Причем это не просто отражение, а сложное, нелинейное взаимодействие. Наблюдается даже «хвост» или «послесвечение» — гравитационное излучение, которое продолжается некоторое время после прохождения основной волны.

А знаете, что еще интересно? Оказывается, ткань пространства-времени — штука довольно «жесткая». Чтобы ее хорошенько «раскачать», нужна солидная порция энергии. Исследователи обнаружили, что чем мощнее была начальная гравитационная волна, тем большая доля ее энергии преобразовывалась в исходящее излучение. То есть, если «стукнуть» посильнее, то и «эхо» будет не просто громче, а относительно громче по сравнению с первоначальным импульсом.

Зачем нам эти «игры разума» с бесконечностью?

Может показаться, что все это — очень абстрактные вещи, далекие от повседневной жизни. Отчасти так и есть. Но такие исследования двигают вперед наше фундаментальное понимание Вселенной. Они помогают проверить пределы общей теории относительности Эйнштейна в экстремальных условиях, например, вблизи черных дыр.

Более того, есть намеки (пока еще очень туманные, но интригующие!) на то, что структура пространства-времени на этих самых бесконечностях может быть связана с некоторыми аспектами квантовой теории поля. Кто знает, может быть, именно здесь кроется ключ к будущей «теории всего»?

Конечно, работа, проделанная Фрауендинером и его командой, — это лишь первый, хотя и очень важный, шаг. Впереди еще много задач: научиться еще точнее «задавать» начальные гравитационные волны на прошлой бесконечности, учесть другие, еще более экзотические типы бесконечности (например, пространственно-подобную, где «время останавливается»).

Но уже сейчас ясно: у нас появился новый, более мощный инструмент для изучения самых глубоких тайн гравитации. И кто знает, какие еще удивительные «мелодии» пространства-времени мы сможем услышать благодаря ему в будущем? Честно говоря, это захватывает дух!