Fale grawitacyjne — narzędzie do obserwacji czarnych dziur

Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje tworzenie się zmarszczek w czasoprzestrzeni generowanych przez pary łączących się czarnych dziur. Gdy dochodzi do połączenia galaktyk, supermasywne czarne dziury, które są prawdopodobnie w centrum dużych galaktyk, niewątpliwie spotkają się. Początkową podejmują ze sobą swoisty taniec, po czym następuje rozpaczliwy uścisk, który kończy się zespoleniem.

Ogólna teoria względności przewiduje, że tuż przed zakończeniem swego tańca, czarne dziury emitują fale grawitacyjne. Naukowcy pracujący nad finansowanym przez UE projektem CBHEO (Connecting numerical simulations of black holes with experiment and observations) wygenerowali "wzorcowe" kształty fali, które powinny pokrywać się z takimi sygnałami astrofizycznymi.

Zgodnie z oczekiwaniami, zaobserwowane kształty fali mają obejmować sygnały z dwóch czarnych dziur poruszających się spiralnie w swoim kierunku, a także ich połączenia i następującej po nim oscylacji rotujących czarnych dziur (tzw. ring-down). Wzorce wygenerowane przez zespół CBHEO przy użyciu względności liczbowej i technik ponewtonowskich obejmują wszystkie te funkcje.

Mówiąc dokładniej, przeprowadzono modelowanie zlewającej się części kształtu fali przy użyciu analitycznych kalkulacji ponewtonowskich. Z drugiej strony potrzebne były rozwiązania liczbowe równań pola według ogólnej teorii względności do dokładnego modelowania końcowych orbit i połączenia czarnych dziur.

Te hybrydowe kształty fali dodano do danych przekształconych w prognozy krzywych czułości dla detektora Virgo i LIGO (Laserowego Obserwatorium Interferometrycznego Fal Grawitacyjnych). Uzyskane w efekcie dane przeanalizowano za pomocą algorytmów wykrywania fal grawitacyjnych w ramach wspólnego działania NINJA (ang. Numerical Injection Analysis).

Badacze z zespołu CBHEO przeprowadzili także modelowanie zderzeń partonów wyprodukowanych w wyniku scalania czarnych dziur. Motywacją do przeprowadzenia tego badania była możliwość formowania czarnych dziur w ramach eksperymentów zderzeń cząstek zgodnie z przewidywaniami nowych teorii grawitacji. Głównym efektem symulacji była ilość energii i pęd kątowy utracony w falach grawitacyjnych.

Uzbrojeni w wyniki projektu CBHEO dotyczące dynamiki czarnych dziur naukowcy mają nadzieję, że uda im się zidentyfikować sygnatury fal grawitacyjnych. Ponieważ zaś czarne dziury są tak trudne do obserwacji, informacje o falach grawitacyjnych mogą okazać się nowym potężnym narzędziem w dziedzinie astrofizyki.