Iedomājieties: kaut kur tur, dziļā kosmosa tumsā, divi milzīgi melnie caurumi saplūst vienā veselumā. Vai arī neitronu zvaigznes izdejo savu pēdējo deju. Kas notiek? Izliecas pats telpas-laiks, un pa Visumu izplatās tikko uztveramas, bet neticami spēcīgas viļņi — gravitācijas viļņi. Šīs kosmiskās viļņošanās, kas līdzinās ūdens ripulīšiem, ko izraisa iemestā akmens, nes informāciju par visdramatiskākajiem notikumiem Visumā. Bet šīs viļņi var arī kaut kam uzskriet. Piemēram, uz vientuļu melno caurumu. Kas tad notiks? Tas uzsūks šo viļņu? Vai izkliedēs, nosūtot tālāk? Līdz nesenai pagātnei izsekot šādas viļņa pilnu ceļu no tā “dzimšanas” kaut kur bezgalīgi tālā pagātnē līdz “nāvei” vai aizceļošanai bezgalīgi tālā nākotnē bija gandrīz neiespējama uzdevums. Bet tagad pētnieku grupa no Jaunzēlandes ir panākusi patiesu izrāvienu!
Satura rādītājs
Kad bezgalība kļūst reāla
Viņu pētījuma, kas publicēts autoritatīvajā žurnālā Physical Review Letters, būtība ir vienkārša un vienlaikus pārsteidzoša: pirmo reizi vienā simulācijā izdevās “izdzīvot” visu gravitācijas viļņa vēsturi, sākot no tā parādīšanās telpā un laikā līdz brīdim, kad tas galīgi izkliedējas, saduroties ar melno caurumu. Otagas Universitātes un Kentberijas Universitātes zinātnieki izvirzīja mērķi — izprast gravitācijas viļņu izkliedēšanās procesu, ko izraisa masīvi objekti.
Šķiet, ka tur nav nekā sarežģīta — modelē un skaties! Taču problēma slēpjas vienā fundamentālā jēdzienā — bezgalībā. Einšteina vispārējā relativitātes teorijā, kas apraksta gravitāciju kā telpas-laika izliekumu, tādas “izolētas” sistēmas kā melnie caurumi pastāv tā saucamajā “asimptotiski plaknā telpā-laikā”. Ko tas nozīmē? Tas nozīmē, ka ļoti, ļoti tālu no melnā cauruma telpa kļūst plakana un tukša, kā parasti. Tieši šie “ļoti, ļoti tālu” ir tie paši nulles bezgalības — tādas gaismas līdzīgas robežas mūsu Visumā. Tieši no turienes nāk un uz turieni dodas gravitācijas viļņi, ja tiem nekas netraucē.
Iedomājieties, ka jūs vēlaties uzņemt filmu par lietus piliena ceļojumu. Bet jums ir jāparāda ne tikai tā krišana uz zemes, bet arī tas, no kurienes tā vispār nāk (no mākoņa, bet mākonis no okeāna iztvaikošanas…) un kur tā aizies pēc krišanas (zemē, iztvaikos, atgriezīsies ūdens apritē…). Tradicionālie datoru modeļi varēja “redzēt” tikai galīgo, ierobežoto šī ceļa posmu. Tie it kā filmēja tikai pilienu krišanu, nezinot tā pagātni un nākotni. Tas nedeva pilnīgu izpratni par to, kā gravitācijas viļņa enerģija tiek pārnesta uz melno caurumu, cik daudz no tās tiek absorbēts un cik daudz turpina savu ceļojumu.
“Pirmo reizi mēs parādījām, ka ir iespējams izsekot gravitācijas vilnim, kas pārvietojas caur melnā cauruma izliekto telpu-laiku no bezgalīgas pagātnes uz bezgalīgu nākotni,” skaidro doktors Krisa Stīvensa. Un viņa kolēģis Sebene Tvala piebilst: “Iespēja ņemt vērā bezgalību ļauj mums ar matemātisku precizitāti aprēķināt telpas-laika kopējo enerģiju un impulsu. Tas tieši atbild uz jautājumu, cik daudz gravitācijas viļņa enerģijas nonāca melnajā caurumā un cik daudz izslīdēja bezgalībā.” Tā ir patiesā vērtība!
Kā noķert neaptveramo bezgalību?
Kā viņi to izdarīja? Godīgi sakot, tas ir īsts matemātisks varoņdarbs! Pētnieki izmantoja viltīgu pieeju — Friedrichs vispārinātos konformos lauka vienādojumus (GCFE). Domājat, ka tas ir vienkārši sarežģītu burtu kopums? Nekā! Šis matemātiskais aparāts faktiski “pārveido” telpu un laiku tā, ka bezgalīgi attālas punkti kļūst… galīgi un pieejami aprēķiniem. Tas ir tā, it kā jūs varētu paņemt bezgalīgu līniju un “saspiest” to tā, lai tā ietilptu uz parasta lapas papīra, saglabājot visas proporcijas un attiecības.
Lai atrisinātu šos vienādojumus, zinātnieki pat izstrādāja savu programmatūru, nosaucot to COFFEE (nejaukt ar rīta dzērienu!). Ar tās palīdzību viņi modelēja dažādas stiprības gravitācijas viļņu impulsus, kas “sadūrās” ar Švarcsilda melno caurumu — vienkāršāko, bet fundamentālo melno caurumu.
Ko parādīja simulācija?
Un te sākās visinteresantākais. Modelēšana parādīja, ka telpa-laiks ir pārsteidzoši “ciets” jēdziens. Pat pie vāja ienākošā viļņa tikai apmēram 8,5 % no tā enerģijas izkliedējās atpakaļ bezgalībā. Pārējais? Tika absorbēts melnajā caurumā. Un ja viļņš bija ļoti spēcīgs? Tikai apmēram 20 % enerģijas izkļuva. Iedomājieties, cik spēcīga ir melno caurumu “putekļu sūcēja” spēks!
Lai pārliecinātos par savu aprēķinu pareizību, pētnieki izmērīja divas svarīgas lielības abās “bezgalībās”: Bondija enerģiju un Bondija-Niusa lielumu. Ja Bondi enerģija būtībā ir pilnā enerģija gaismas konusā, tad Bondi-Nius, kā skaidro Sebene Tvala, “vienkārši ”paziņo” par gravitācijas starojuma klātbūtni. Ja tā nav vienāda ar nulli, tad gravitācijas starojums pastāv“. Šie mērījumi ļāva viņiem ar fenomenālu precizitāti pārbaudīt enerģijas nezūdamības likumu visā simulācijas laikā — sava veida ”izcilu atzīmi” viņu metodēm.
Bet tas vēl nav viss! Zinātnieki pamanīja arī ļoti interesantus nelineārus efektus. Neskatoties uz to, ka viņi simulācijā “ielaida” diezgan vienkāršus viļņu modeļus, sarežģītā izliektā telpas-laika dinamika radīja… jaunas viļņu modus! To sauc par “pretreakciju” — viļņi būtībā radīja jaunas viļņus, izplatoties.
Un visvairāk fascinējošais: kad izstarotais starojums sasniedza nākotnes nulles bezgalību, tas sāka demonstrēt raksturīgas svārstības, kas pazīstamas kā kvazinormālas svārstības. Tas nav nekas cits kā melnā cauruma dabiskā vibrācijas frekvence — tā, ja vēlaties, ir tā “dziesma” vai “nospiedums”. Zinātnieki atklāja, ka šī frekvence palika nemainīga neatkarīgi no ienākošās viļņa stipruma vai tās īpašībām. Izrādās, kvazinormālās svārstības ir atkarīgas tikai no pašas melnās caurums. Tas ir tās unikālais akustiskais autogrāfs!
Kāpēc tas viss ir nepieciešams? Un kas tālāk?
“Datu pieejamība abās bezgalībās pirmo reizi ļauj stingri apgalvot, kas tieši ieplūda un kas izplūda,” uzsver doktors Stīvenss. Pēc viņa teiktā, tas “sāk sniegt atbildes uz jautājumiem par to, kā melnie caurumi izkliedē gravitācijas viļņus, cik daudz enerģijas absorbē melnais caurums un cik daudz izstaro”.
Vai jūs zinājāt, ka tas ir ārkārtīgi svarīgi mūsdienu astronomijai? Galu galā, tādas observatorijas kā LIGO pastāvīgi reģistrē gravitācijas viļņus, kas rodas no melno caurumu vai neitronu zvaigžņu saplūšanas. Izpratne par to, kā šīs viļņi mijiedarbojas ar citām melnajām caurumiem, ne tikai ļauj mums labāk interpretēt to, ko redzam kosmosā, bet arī dod atslēgu uz dziļāku gravitācijas būtības izpratni.
Protams, zinātniskā ceļš nekad nav ideāli gluds. Zinātnieki atzīst, ka viņu pašreizējai metodei ir viens nianses: sākotnējā vilnis netiek noteikta tieši uz pagātnes nulles bezgalības. “Būtu ideāli, ja varētu noteikt ienākošo vilni tieši un pēc tam attīstīt to līdz nākotnes nulles bezgalībai,” saka profesors Frauenfelder.
Bet tas jau ir nākotnes plāni. Pašreiz pētnieki plāno koncentrēties uz izkliedēšanas problēmas vispārīgo īpašību izpēti, neiedziļinoties sarežģītākos scenārijos. Tas nozīmē, ka mūs gaida jauni, vēl aizraujošāki atklājumi melno caurumu un gravitācijas viļņu jomā. Galu galā, kosmosā, tāpat kā zinātnē, vienmēr slēpjas bezgalīgs skaits noslēpumu, kas gaida savus pētniekus!
