Afbeelding tegoed: Penn State
Wetenschappers van Penn State hebben een nieuwe mijlpaal bereikt in de poging om twee omringende zwarte gaten te modelleren, een gebeurtenis die naar verwachting sterke zwaartekrachtgolven zal veroorzaken. "We hebben een manier ontdekt om voor het eerst numeriek één baan van twee inspirerende zwarte gaten te modelleren", zegt Bernd Bruegmann, universitair hoofddocent natuurkunde en onderzoeker bij Penn State's Institute for Gravitational Physics and Geometry. Het onderzoek van Bruegmann maakt deel uit van een wereldwijde inspanning om de eerste zwaartekrachtgolf op te vangen tijdens het rollen over de aarde.
Een paper waarin deze simulaties worden beschreven, zal worden gepubliceerd in het nummer van 28 mei 2004 van het tijdschrift Physical Review Letters. De paper is geschreven door Bruegmann en twee postdoctorale wetenschappers in zijn groep in Penn State, Nina Jansen en Wolfgang Tichy.
Zwarte gaten worden beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie, die een zeer nauwkeurige beschrijving geeft van de zwaartekrachtinteractie. De vergelijkingen van Einstein zijn echter ingewikkeld en notoir moeilijk om zelfs numeriek op te lossen. Bovendien vormen zwarte gaten hun eigen problemen. Binnen elk zwart gat schuilt wat bekend staat als een ruimte-tijd singulariteit. Elk object dat te dichtbij komt, wordt naar het midden van het zwarte gat getrokken zonder enige kans om opnieuw te ontsnappen, en het zal enorme zwaartekrachten ervaren die het uit elkaar scheuren.
"Wanneer we deze extreme omstandigheden op de computer modelleren, zien we dat de zwarte gaten het numerieke raster van punten dat we gebruiken om de zwarte gaten te benaderen, willen verslinden en uit elkaar willen halen", zegt Bruegmann. "Een enkel zwart gat is al moeilijk te modelleren, maar twee zwarte gaten in de laatste fasen van hun inspiratie zijn veel moeilijker vanwege de zeer niet-lineaire dynamiek van de theorie van Einstein." Computersimulaties van binaries met een zwart gat hebben de neiging instabiel te worden en crashen na een eindige tijd, die vroeger aanzienlijk korter was dan de tijd die nodig was voor één baan.
"De techniek die we hebben ontwikkeld is gebaseerd op een raster dat met de zwarte gaten meebeweegt, hun beweging en vervorming minimaliseert, en ons genoeg tijd geeft om een spiraal om elkaar heen te draaien voordat de computersimulatie crasht", zegt Bruegmann. Hij biedt een analogie om de strategie van het 'meebewegende raster' te illustreren: 'Als je buiten een carrousel staat en je wilt naar één persoon kijken, moet je je hoofd blijven bewegen om naar hem te blijven kijken terwijl hij cirkelt. Maar als je op de carrousel staat, hoef je maar in één richting te kijken omdat die persoon niet meer beweegt ten opzichte van jou, hoewel jullie allebei in cirkels rondlopen. '
De constructie van een meebewegend raster is een belangrijke innovatie van het werk van Bruegmann. Hoewel het geen nieuw idee is voor natuurkundigen, is het een uitdaging om het te laten werken met twee zwarte gaten. De onderzoekers voegden ook een feedbackmechanisme toe om dynamisch aanpassingen te maken naarmate de zwarte gaten evolueren. Het resultaat is een uitgebreid schema dat in feite werkt voor twee zwarte gaten voor ongeveer één baan van de spiraalbeweging.
"Hoewel het modelleren van interacties met zwarte gaten en zwaartekrachtgolven een zeer moeilijk project is, geeft het resultaat van professor Bruegmann een goed beeld van hoe we uiteindelijk kunnen slagen in deze simulatie-inspanning", zegt Richard Matzner, professor aan de Universiteit van Texas in Austin en hoofdonderzoeker van de voormalige Binary Black Hole Grand Challenge Alliance van de National Science Foundation, die in de jaren 90 een groot deel van de basis legde voor numerieke relativiteit.
Abhay Ashtekar, hoogleraar natuurkunde van Eberly en directeur van het Institute for Gravitational Physics and Geometry, voegt hieraan toe: 'De recente simulatie van de groep van professor Bruegmann is een mijlpaal omdat het de deur opent naar het uitvoeren van numerieke analyse van een verscheidenheid aan botsingen met zwarte gaten die onder de meest interessante gebeurtenissen voor de zwaartekrachtsgolfastronomie. ”
Dit onderzoek werd gefinancierd door subsidies van de National Science Foundation, waaronder een aan het Frontier Center for Gravitational Wave Physics, opgericht door de National Science Foundation in het Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry.
Oorspronkelijke bron: Penn State News Release
