Przełomowe badania ustanowiły nowy punkt odniesienia w modelowaniu najbardziej ekstremalnych wydarzeń we Wszechświecie: zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych.
Badania te, których wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Nature, prowadzone przez prof. Jana Plefkę z Uniwersytetu Humboldta w Berlinie i dr. Gustava Mogulla z Queen Mary University w Londynie i w Instytucie Fizyki Grawitacyjnej Maxa Plancka (Instytut Alberta Einsteina), oraz prowadzone we współpracy z międzynarodowym zespołem fizyków, zapewniają bezprecedensową precyzję obliczeń kluczowych dla zrozumienia fal grawitacyjnych.
Korzystając z najnowocześniejszych technik inspirowanych kwantową teorią pola, zespół obliczył piąty post-Minkowskiego (5PM) porządek dla obserwowalnych wielkości, takich jak kąt rozpraszania, energia promieniowania i odrzut. Przełomowym aspektem pracy jest pojawienie się potrójnych okresów przestrzeni Calabiego-Yau – struktur geometrycznych zakorzenionych w teorii strun i geometrii algebraicznej – w energii promieniowania i odrzutu. Struktury te, niegdyś uważane za czysto matematyczne, teraz znajdują zastosowanie w opisie rzeczywistych zjawisk astronomicznych.
Ponieważ obserwatoria fal grawitacyjnych, takie jak LIGO, wkraczają w nową fazę czułości, a na horyzoncie pojawiają się detektory nowej generacji, takie jak LISA, badania te zaspokajają rosnące zapotrzebowanie na modele teoretyczne o niezwykłej dokładności.
Dr Mogulla wyjaśnił to znaczenie: Podczas gdy fizyczny proces oddziaływania i rozpraszania dwóch czarnych dziur za pomocą grawitacji, który badamy, jest koncepcyjnie prosty, wymagany poziom matematycznej i obliczeniowej precyzji jest ogromny.
Benjamin Sauer, doktorant na Uniwersytecie Humboldta w Berlinie, dodał: Pojawienie się geometrii Calabi-Yau pogłębia nasze zrozumienie wzajemnego oddziaływania matematyki i fizyki. Te spostrzeżenia ukształtują przyszłość astronomii fal grawitacyjnych poprzez ulepszenie szablonów, których używamy do interpretacji danych obserwacyjnych.
Precyzja ta jest szczególnie ważna w przypadku wychwytywania sygnałów z eliptycznych układów związanych, w których orbity bardziej przypominają zdarzenia rozpraszania o dużej prędkości, czyli w dziedzinie, w której tradycyjne założenia dotyczące wolno poruszających się czarnych dziur nie mają już zastosowania.
Fale grawitacyjne, zmarszczki w czasoprzestrzeni wywołane przez przyspieszające masywne obiekty, zrewolucjonizowały astrofizykę od czasu ich pierwszego wykrycia w 2015 roku. Zdolność do precyzyjnego modelowania tych fal zwiększa nasze zrozumienie zjawisk kosmicznych, w tym kopnięcia lub odrzutu czarnych dziur po rozproszeniu – procesu o daleko idących konsekwencjach dla formowania się i ewolucji galaktyk.
Być może najbardziej kuszące jest to, że odkrycie struktur Calabi-Yau w tym kontekście łączy makroskopową sferę astrofizyki ze skomplikowaną matematyką mechaniki kwantowej. Może to zasadniczo zmienić sposób, w jaki fizycy podchodzą do tych funkcji – powiedział członek zespołu dr Uhre Jakobson z Instytutu Fizyki Grawitacyjnej Maxa Plancka i Uniwersytetu Humboldta w Berlinie. Wykazując ich fizyczne znaczenie, możemy skupić się na konkretnych przykładach, które oświetlają prawdziwe procesy zachodzące w przyrodzie.
W projekcie wykorzystano ponad 300 000 godzin wysokowydajnych obliczeń w berlińskim Instytucie Zuse, aby rozwiązać równania rządzące interakcjami czarnych dziur, demonstrując niezbędną rolę fizyki obliczeniowej we współczesnej nauce. Szybka dostępność tych zasobów obliczeniowych była kluczem do sukcesu projektu – dodał doktorant Mathias Driesse, który kierował pracami obliczeniowymi.
Profesor Plefka podkreślił zespołowi charakter pracy: Ten przełom pokazuje, jak interdyscyplinarne wysiłki mogą przezwyciężyć wyzwania, które kiedyś uważano za nie do pokonania. Od tych matematycznych po praktyczne obliczenia, badania te są przykładem synergii potrzebnej do przesuwania granic ludzkiej wiedzy.
To przełomowe odkrycie nie tylko rozwija dziedzinę fizyki fal grawitacyjnych, ale także wypełnia lukę między abstrakcyjną matematyką a obserwowalnym Wszechświatem, torując drogę dla przyszłych odkryć. Współpraca ma rozszerzyć wysiłki, badając obliczenia wyższego rzędu i wykorzystując nowe wyniki w przyszłych modelach fal grawitacyjnych. Poza fizyką teoretyczną, narzędzia obliczeniowe wykorzystywane w tych badaniach, takie jak KIRA, mają również zastosowanie w dziedzinach takich jak fizyka zderzaczy.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Uniwersytet Londyński
