رقصة الثقب الأسود تضيء الرياضيات الخفية للكون

عند الشراء من خلال روابط على مقالاتنا ، قد يكسب المستقبل وشركاء المشاركة في العمولة.

لقد قام العلماء بتنبؤات أكثر دقة بعد للاضطرابات المراوغة التي تسببت في زمن المساحة عندما تطير فتحان سوداء عن بعضهما البعض.

النتائج الجديدة ، المنشورة الأربعاء (14 مايو) في مجلة Nature ، تُظهر أن المفاهيم الرياضية المجردة من الفيزياء النظرية لها استخدام عملي في نمذجة تموجات الزمان في الفضاء ، مما يمهد الطريق لنماذج أكثر دقة لتفسير بيانات الرصد.

موجات الجاذبية تشوهات في نسيج الزمان الناجم عن حركة الأشياء الضخمة مثل ثقوب سوداء أو نجوم النيوترون. تم التنبؤ أولاً في ألبرت أينشتاين نظرية النسبية العامة في عام 1915 ، كانوا اكتشف مباشرة لأول مرة بعد قرن من الزمان ، في عام 2015. ومنذ ذلك الحين ، أصبحت هذه الموجات أداة مراقبة قوية لعلماء الفلك الذين يبحثون عن بعض الأحداث الأكثر عنفًا في الكون.

لفهم الإشارات التي تم التقاطها بواسطة كاشفات حساسة مثل ليجو (مرصد الموجة التداخل بالليزر) والعذراء ، يحتاج العلماء إلى نماذج دقيقة للغاية لما من المتوقع أن تبدو هذه الموجات ، مماثلة في الروح للتنبؤ الطقس الفضاء. حتى الآن ، اعتمد الباحثون على أجهزة الكمبيوتر العملاقة القوية لمحاكاة تفاعلات الثقب الأسود التي تتطلب تحسين مسارات الثقب الأسود خطوة بخطوة ، وهي عملية فعالة ولكنها بطيئة ومكلفة من الناحية الحسابية.

الآن ، اتبع فريق بقيادة ماتياس دريسي من جامعة هومبولت في برلين مقاربة مختلفة. بدلاً من دراسة عمليات الدمج ، ركز الباحثون على “أحداث الانتثار” – الحالات التي يدور فيها فتحتان سوداء بالقرب من بعضهما البعض تحت سحب الجاذبية المتبادلة ثم يستمران على مسارات منفصلة دون الاندماج. تولد هذه اللقاءات إشارات موجة جاذبية قوية حيث تتسارع الثقوب السوداء من بعضها البعض.

لتصميم هذه الأحداث على وجه التحديد ، تحول الفريق إلى نظرية المجال الكمومي، وهو فرع من الفيزياء المستخدمة عادة لوصف التفاعلات بين الجزيئات الأولية. بدءًا من التقريبات البسيطة والتعقيد بشكل منهجي ، قام الباحثون بحساب النتائج الرئيسية لعلاج ذبابة الثقب الأسود: مقدار انحرافهم ، وكم الطاقة المشع كأمواج الجاذبية ومقدار الارتداد بعد التفاعل.

تضمن عملهم خمسة مستويات من التعقيد ، حيث وصلوا إلى ما يسميه الفيزيائيون الترتيب الخامس بعد Minkowskian-وهو أعلى مستوى من الدقة التي تحققت على الإطلاق في نمذجة هذه التفاعلات.

الوصول إلى هذا المستوى “غير مسبوق ، ويمثل الحل الأكثر دقة لمعادلات آينشتاين التي تم إنتاجها حتى الآن” ، قال غوستاف موغول ، عالم الجسيمات في جامعة كوين ماري في لندن ومؤلف مشارك للدراسة ، Space.com.

يتذكر موغول أن رد فعل الفريق على تحقيق الدقة البارزة كان “في الغالب مدهشًا فقط تمكنا من إنجاز المهمة”.

القصص ذات الصلة:

– ما هي نظرية النسبية العامة؟ فهم ثورة آينشتاين للفضاء

– ما هي موجات الجاذبية؟

– ما هي نظرية الأوتار؟

أثناء حساب الطاقة المشعة كمواد جاذبية ، وجد الباحثون أن الأشكال المعقدة ذات الأبعاد ستة الأبعاد المعروفة باسم مشعبات كالابي-ياو ظهرت في المعادلات. هذه الهياكل الهندسية المجردة-التي يتم تصورها غالبًا على أنها نظائر ذات أبعاد عالية من الأسطح الشبيهة بالدونات-كانت منذ فترة طويلة عنصرًا أساسيًا في نظرية الأوتار، إطار محاولة لتوحيد ميكانيكا الكم مع جاذبية. حتى الآن ، يُعتقد أنهم بنيات رياضية بحتة ، مع عدم وجود دور قابل للاختبار مباشرة مرتبط بظواهر يمكن ملاحظتها.

ومع ذلك ، في الدراسة الجديدة ، ظهرت هذه الأشكال في الحسابات التي تصف الطاقة التي تشع بموجات الجاذبية عندما تتجول فتحان سوداء من بعضهما البعض. هذا يمثل المرة الأولى التي ظهر فيها في سياق يمكن ، من حيث المبدأ ، اختباره من خلال تجارب في العالم الحقيقي.

يشبه Mogull ظهورهم للتبديل من كوب مكبرة إلى مجهر ، ويكشف عن الميزات والأنماط التي لم تكن قابلة للكشف سابقًا. وقال “إن ظهور مثل هذه الهياكل يلقي ضوءًا جديدًا على أنواع الأشياء الرياضية التي بنيت منها الطبيعة”.

من المتوقع أن تعزز هذه النتائج النماذج النظرية المستقبلية بشكل كبير التي تهدف إلى التنبؤ بتوقيعات الموجة الجاذبية. ستكون مثل هذه التحسينات حاسمة مثل كاشفات موجات الجاذبية من الجيل التالي-بما في ذلك المخطط هوائي مقياس التداخل بالليزر (ليزا) وتلسكوب أينشتاين في أوروبا – يأتي عبر الإنترنت في السنوات المقبلة.

وقال موغول: “التحسن في الدقة ضروري من أجل مواكبة الدقة العليا المتوقعة من هذه الكشفات”.