Черные дыры — это области космоса, где гравитационное притяжение настолько сильное, что ничто не может покинуть их, даже свет. Эти удивительные регионы были в центре внимания бесчисленных исследований, однако некоторые физические аспекты, лежащие в основе их формирования, еще не до конца изучены. Черные дыры образуются в результате так называемого гравитационного коллапса. По сути, это сжатие космологического объекта, вызванное его собственной гравитацией, втягивающей материю внутрь (т. е. к центру тяжести объекта). Образует ли такой коллапсирующий объект черную дыру, зависит от конкретных свойств объекта. В некоторых случаях объект может находиться очень близко к порогу, и ему трудно решить, образовывать ли черную дыру или нет. Этот тип коллапса приводит к так называемым критическим явлениям. Физики десятилетиями пытались понять критические явления гравитационного коллапса, поскольку некоторые его свойства свойственны другим известным физическим системам.
Недавняя статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters международной исследовательской группой, базирующейся в колледже Боудоин в США и других институтах в Германии, Праге, Великобритании и Португалии, обнаружила согласие между тремя независимо проведенными численными симуляциями этих явлений и разрешила некоторые давние проблемы. постоянные загадки в этой области исследования. «О критических явлениях гравитационного коллапса, незадолго до начала образования черной дыры, впервые сообщил Мэтт Чоптуйк около 30 лет назад», — рассказал Phys.org Томас В. Баумгарте, соавтор статьи. «Отчасти потому, что эти эффекты имеют много общих свойств с критическими явлениями в других областях физики (например, фазовые переходы в статистической физике), а отчасти потому, что они решают фундаментальные вопросы, касающиеся свойств общей теории относительности, они сразу привлекли внимание многих исследователей из различные области физики».
Двумя наиболее интересными свойствами критического гравитационного коллапса являются универсальность и самоподобие. В этом контексте термин «универсальность» относится к идее о том, что независимо от того, как начинаются расчеты, по мере приближения начала формирования черной дыры решение всегда будет одним и тем же. С другой стороны, самоподобие означает, что это универсальное решение будет повторять одни и те же закономерности при уменьшении физического масштаба. «Хотя в расчетах Чоптуика в качестве источника материи использовалось так называемое скалярное поле, Эндрю Абрахамс и Чак Эванс вскоре после этого сообщили о подобных эффектах для гравитационного коллапса гравитационных волн (то есть для чистой гравитации в отсутствие какой-либо материи)», — объяснил Баумгарте. «Еще одно отличие состоит в том, что Чоптуйк смог предположить сферическую симметрию, в то время как гравитационные волны не могут существовать в сферической симметрии, так что Абрахамсу и Эвансу пришлось ослабить предположение о сферической симметрии. К сожалению, было очень трудно воспроизвести эти последние результаты. поскольку некоторые числовые коды в этом случае полностью терпели неудачу или давали результаты, которые противоречили результатам Абрахамса и Эванса».
После явно противоречивых результатов, полученных в 1990-х годах, природа критического коллапса «чистой гравитации» оставалась неразгаданной загадкой почти три десятилетия. Однако недавно три разные исследовательские группы провели независимое численное моделирование этого коллапса, используя независимо разработанные коды. «Все эти три кода решают уравнения общей теории относительности Эйнштейна, но они используют совершенно разные численные стратегии (например, спектральные методы и методы конечных разностей)», — сказал Баумгарте. «Декартовы координаты в сравнении со сферическими полярными координатами, разные калибровочные условия и т. д. Все три кода также делают разные выборы для так называемого «условия среза» (т. е. они принимают разные варианты скорости, с которой время в кодах движется)». Основная цель недавнего исследования Баумгарта и его коллег заключалась в коллективном изучении трех численных моделей, которые недавно были выполнены этими тремя разными исследовательскими группами. Таким образом, их работа была совместной работой команд, направленной на объединение их независимых исследовательских усилий, чтобы пролить новый свет на природу гравитационного коллапса.
«В качестве первого открытия мы сообщаем, что, несмотря на все численные различия, наши программы дают полностью согласованные результаты для критического коллапса гравитационных волн», — сказал Баумгарте. «Это дает нам уверенность в том, что эти результаты верны, а не являются численными артефактами. Выбор подходящего условия среза оказывается решающим: очень распространенный другой выбор, который был успешным для многих других численных симуляций относительности, терпит неудачу для этот случай, который объясняет, почему некоторые предыдущие попытки решить эту проблему потерпели неудачу». Примечательно, что в трех независимых численных симуляциях исследователи не нашли доказательств, подтверждающих свойство универсальности. Другими словами, они обнаружили, что начало численного расчета с разными исходными данными приводило к разным значениям при приближении к образованию черной дыры.
«Наши результаты объясняют еще одну часть загадки», — сказал Баумгарте. «Некоторые предыдущие исследования сообщали о различиях с результатами Абрахамса и Эванса, которые поэтому выглядели противоречивыми. Однако в этих исследованиях также использовались разные исходные данные. Таким образом, разногласия между результатами представляют собой противоречие только в предположении универсальности, что мы и делаем. не вижу никаких доказательств». Хотя исследователи не нашли доказательств универсальности, они нашли приблизительные доказательства самоподобия. Интересно, однако, что в отличие от того, что наблюдалось в случае критического коллапса сферической симметрии, наблюдаемое ими самоподобие не оказалось точным. Еще в 1990-х годах Абрахамс и Эванс также сообщили о неточном самоподобии. Таким образом, эти недавние результаты согласуются с предыдущими результатами, потенциально предполагая, что обнаруженные отклонения от точного самоподобия могут быть связаны с отсутствием сферической симметрии.
Недавняя работа Баумгарта и его коллег вскоре может проложить путь к новым численным и теоретическим исследованиям, направленным на дальнейшее изучение и переосмысление критического коллапса гравитационных волн. Это может приблизить физиков к раскрытию природы и загадок этого интригующего физического явления, которое, как известно, предшествует образованию черных дыр. «Хотя мы считаем, что наша работа разрешила несколько открытых вопросов в контексте критического коллапса гравитационных волн, остается еще несколько дополнительных вопросов», — добавил Баумгарте. «Например, для некоторых семейств исходных данных мы нашли примерно самоподобные решения, но не нашли для других, а природа «порогового решения» для остальных семейств остается неясной. «Также было бы желательно выполнить моделирование с более точной настройкой начала формирования черной дыры (например, с использованием числовых кодов с лучшим разрешением и/или другими улучшениями), чтобы выяснить, возникает ли универсальное критическое решение для точной настройки, которое лучше, чем кто-либо достиг до сих пор. «Наконец, мы планируем выяснить, что вызывает отклонения от точного самоподобия, и определить, связаны ли эти отклонения напрямую с отсутствием сферической симметрии».
