В журнале Physical Review Letters опубликовано исследование, в котором ученые из Университета Отаго и Университета Кентербери смоделировали полное рассеяние гравитационной волны на черной дыре — от бесконечного прошлого до бесконечного будущего. Это первый случай, когда удалось охватить все этапы взаимодействия в рамках одной симуляции.
Работа посвящена изучению того, как гравитационные волны, рябь в ткани пространства-времени, изменяются при столкновении с массивными объектами. Для этого нужно было точно проследить движение волны от ее «рождения» — на так называемой прошлой нулевой бесконечности — до «ухода» на будущую нулевую бесконечность, световую границу Вселенной.
Чтобы справиться с понятием бесконечности, ученые использовали специальный математический подход — обобщенные конформные уравнения Фридриха. Они позволяют «сжать» бесконечные расстояния в конечную вычислительную область. А для симуляции применили собственную программу COFFEE, которая моделирует развитие гравитационной волны при столкновении с черной дырой Шварцшильда, сферически симметричной и не вращающейся.
Результаты показали, что даже при сильных волнах большая часть энергии поглощается черной дырой. Только около 20% возвращается обратно в космос. Это говорит о том, что пространство-время вблизи таких объектов крайне устойчиво. Также ученые наблюдали характерные колебания — квазинормальный звон. Эти вибрации указывают на свойства самой черной дыры, не зависящие от формы волны.
Команда измерила энергию волны с помощью двух показателей: энергии Бонди, которая описывает полную энергию на световом конусе, и новости Бонди — сигнала, свидетельствующего о наличии гравитационного излучения. Эти измерения подтвердили корректность симуляции.
Хотя исследование стало важным шагом, ученые признают, что идеальная симуляция еще впереди. Пока им не удалось задать волну строго на нулевой бесконечности. В будущем они хотят уточнить модель и сосредоточиться на глобальных характеристиках рассеяния, прежде чем переходить к более сложным случаям.
Исследования вроде этого расширяют наше понимание того, как гравитационные волны ведут себя в самых экстремальных условиях. А как вообще человечество впервые поймало эту рябь пространства — об этом вы можете прочитать в другой статье.