เครดิตรูปภาพ: Penn State
นักวิทยาศาสตร์ที่เพนน์สเตตได้ก้าวมาถึงขั้นใหม่ในความพยายามที่จะจำลองหลุมดำที่โคจรรอบสองเหตุการณ์ที่คาดว่าจะเกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่แข็งแกร่ง “ เราได้ค้นพบวิธีการสร้างแบบจำลองตัวเลขเป็นครั้งแรกหนึ่งวงโคจรของสองหลุมดำที่สร้างแรงบันดาลใจ” เบอร์นด์บรูกมันน์รองศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์และนักวิจัยจากสถาบันฟิสิกส์และความโน้มถ่วงของรัฐเพนน์สเตตกล่าว การวิจัยของ Bruegmann เป็นส่วนหนึ่งของความพยายามทั่วโลกในการจับคลื่นแรงโน้มถ่วงแรกในการหมุนโลก
บทความที่อธิบายสถานการณ์จำลองเหล่านี้จะได้รับการตีพิมพ์ในวารสารทางกายภาพ Physical Review Letters ฉบับวันที่ 28 พฤษภาคม 2547 บทความนี้เขียนโดย Bruegmann และนักวิชาการหลังปริญญาเอกสองคนในกลุ่มของเขาที่ Penn State, Nina Jansen และ Wolfgang Tichy
หลุมดำอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ซึ่งให้คำอธิบายที่แม่นยำสูงเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตามสมการของ Einstein มีความซับซ้อนและยากที่จะแก้ไขแม้จะเป็นตัวเลข นอกจากนี้หลุมดำยังก่อปัญหาของตัวเอง ภายในแต่ละหลุมดำนั้นจะสิงสู่สิ่งที่เรียกว่าเอกพจน์เวลาว่าง วัตถุใด ๆ ที่เข้ามาใกล้เกินไปจะถูกดึงไปที่กึ่งกลางของหลุมดำโดยไม่มีโอกาสหนีอีกครั้งและมันจะได้สัมผัสกับแรงโน้มถ่วงมหาศาลที่ฉีกมันออกเป็นชิ้น
“ เมื่อเราจำลองสภาพสุดขั้วเหล่านี้บนคอมพิวเตอร์เราพบว่าหลุมดำต้องการกินและแยกตารางคะแนนที่เราใช้เพื่อประมาณหลุมดำ” Bruegmann กล่าว “ หลุมดำเดี่ยวเป็นแบบจำลองที่ยากอยู่แล้ว แต่หลุมดำสองหลุมในระยะสุดท้ายของสารวัตรของพวกมันนั้นยากกว่ามากเนื่องจากการเคลื่อนที่แบบไม่เชิงเส้นในทฤษฎีของไอน์สไตน์” การจำลองคอมพิวเตอร์ของไบนารีหลุมดำมีแนวโน้มที่จะไม่เสถียรและผิดพลาดหลังจากเวลาที่ จำกัด ซึ่งเคยมีความสั้นกว่าเวลาที่กำหนดสำหรับหนึ่งวงโคจรอย่างมีนัยสำคัญ
“ เทคนิคที่เราพัฒนาขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับกริดที่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับหลุมดำทำให้การเคลื่อนไหวและการผิดเพี้ยนลดลงและซื้อเวลาให้พอสำหรับพวกเขาในการทำให้วงโคจรวนหนึ่งหมุนวนรอบกันและกันก่อนเกิดการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์” Bruegmann กล่าว เขาเสนอการเปรียบเทียบเพื่อแสดงให้เห็นถึงกลยุทธ์ "กริดที่กำลังเคลื่อนที่": "ถ้าคุณกำลังยืนอยู่นอกม้าหมุนและคุณต้องการที่จะดูคน ๆ หนึ่งคุณต้องขยับหัวของคุณเพื่อเฝ้าดูเขาในขณะที่เขาวงกลม แต่ถ้าคุณกำลังยืนอยู่บนม้าหมุนคุณจะต้องมองไปในทิศทางเดียวเพราะคน ๆ นั้นไม่มีความสัมพันธ์กับคุณอีกต่อไปแม้ว่าคุณทั้งคู่จะเดินวนเป็นวงกลม”
การก่อสร้างกริดที่เคลื่อนที่เป็นนวัตกรรมที่สำคัญของงานของ Bruegmann แม้ว่าจะไม่ใช่แนวคิดใหม่สำหรับนักฟิสิกส์มันเป็นความท้าทายที่จะทำให้หลุมดำทำงานได้ นักวิจัยยังได้เพิ่มกลไกการป้อนกลับเพื่อทำการปรับเปลี่ยนแบบไดนามิกเมื่อหลุมดำวิวัฒนาการ ผลที่ได้คือรูปแบบที่ซับซ้อนซึ่งใช้งานได้จริงกับหลุมดำสองแห่งสำหรับวงโคจรรอบหนึ่งของการเคลื่อนที่วน
“ ในขณะที่การสร้างแบบจำลองการปฏิสัมพันธ์ระหว่างหลุมดำและคลื่นความโน้มถ่วงเป็นโครงการที่ยากมากผลของศาสตราจารย์บรูกมันน์ให้มุมมองที่ดีว่าเราจะประสบความสำเร็จในการจำลองสถานการณ์ได้อย่างไรในท้ายที่สุด” Richard Matzner ศาสตราจารย์มหาวิทยาลัยเท็กซัส กลุ่มพันธมิตร Binary Black Hole Grand Challenge อดีตมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติซึ่งวางรากฐานสำหรับทฤษฎีสัมพัทธภาพตัวเลขในยุค 90
Abhay Ashtekar ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์และผู้อำนวยการสถาบันฟิสิกส์และความโน้มถ่วงของ Eberly กล่าวเสริมว่า“ การจำลองแบบล่าสุดของกลุ่มศาสตราจารย์ Bruegmann เป็นจุดสังเกตเพราะมันเป็นประตูสู่การแสดงการวิเคราะห์เชิงตัวเลขของการชนกันของหลุมดำที่หลากหลาย เหตุการณ์ที่น่าสนใจที่สุดสำหรับดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง”
งานวิจัยนี้ได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติรวมถึงศูนย์ฟิสิกส์คลื่นความโน้มถ่วงที่จัดตั้งขึ้นโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติในสถาบันเพนน์สเตตสำหรับฟิสิกส์แรงโน้มถ่วงและเรขาคณิต
แหล่งต้นฉบับ: ข่าวของ Penn State
