Ученые из Германии и Великобритании установили новую планку точности в моделировании самых экстремальных явлений во Вселенной – столкновений черных дыр и нейтронных звезд. Исследование, опубликованное в журнале Nature, возглавили профессор Ян Плефка из Берлинского университета имени Гумбольдта и доктор Густав Могулл из Лондонского университета, при участии международной команды физиков и научных учреждений, включая Институт гравитационной физики Макса Планка.
Используя передовые методы, заимствованные из квантовой теории поля, ученые рассчитали так называемый пятый постминковский порядок – чрезвычайно сложный уровень приближения в общей теории относительности. Это позволило с беспрецедентной точностью вычислить ключевые параметры при гравитационном рассеянии: углы отклонения, энергию излучения и импульс отдачи. Особую сенсацию вызвало неожиданное появление в этих расчетах структур, известных как трёхмерные многообразия Калаби-Яу – геометрические формы, прежде считавшиеся уделом чистой математики и теории струн.
Теперь эти абстрактные математические конструкции внезапно обретают физическое значение, помогая описывать реальные астрофизические процессы, происходящие вблизи черных дыр. Это открытие соединяет ранее далекие области: высокоэнергетическую теоретическую физику и наблюдаемую космологию.
С учетом того, что детекторы гравитационных волн нового поколения, такие как LISA, приближаются к запуску, спрос на сверхточные модели стремительно растет. “Физический процесс взаимодействия двух черных дыр прост в концепции, но требует колоссальной математической и вычислительной точности”, – поясняет доктор Могулл. По словам Бенджамина Зауэра, аспиранта Гумбольдт-университета, появление структур Калаби-Яу углубляет понимание связи между математикой и физикой и поможет создать более точные шаблоны для анализа наблюдаемых данных.
Это особенно важно для систем с вытянутыми орбитами и высокоскоростными рассеяниями, где традиционные модели на основе медленного сближения уже не работают. Моделирование таких сценариев позволяет точнее предсказывать гравитационные сигналы, включая так называемый “пинок” – отдачу черной дыры после столкновения, способную выбросить её из галактики и повлиять на её дальнейшую эволюцию.
Но, возможно, самая интригующая часть открытия – это связь между макромасштабными космическими событиями и глубокими идеями квантовой механики. Как отмечает доктор Уре Якобсен из Института Макса Планка, “осознание физического смысла таких математических структур открывает дорогу к изучению реальных процессов в природе совершенно новыми способами”.
Для решения уравнений, описывающих взаимодействие черных дыр, потребовалось более 300 000 часов работы суперкомпьютеров в Институте Цузе в Берлине. По словам аспиранта Матиаса Дриссе, возглавлявшего вычислительную часть проекта, без быстрой доступности таких ресурсов этот прорыв был бы невозможен.
Профессор Плефка подчеркивает: “Эта работа – пример того, как синтез математики, физики и вычислительных технологий позволяет преодолевать границы возможного. Именно такая междисциплинарность сегодня движет науку вперед”.
Исследование не только расширяет горизонты в области физики гравитационных волн, но и приближает нас к пониманию того, как абстрактная математика описывает мир вокруг. В дальнейшем команда планирует проводить еще более точные расчеты и использовать полученные данные для улучшения моделей гравитационных волн, применяемых в астрофизических обсерваториях. А вычислительные инструменты, разработанные в ходе этой работы – например, система KIRA, – могут быть полезны и в других областях, таких как физика элементарных частиц и ускорительные эксперименты.