Ученые из Калифорнийского технологического института разработали метод, который позволяет моделировать гравитационные волны и взаимодействие черных дыр с помощью уравнений Максвелла — тех самых, что традиционно описывают электромагнитные поля. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).
Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, возникающие при ускоренном движении массивных тел, например при слиянии двух черных дыр. Их существование было впервые напрямую подтверждено в 2015 году. Эти явления дают физикам редкую возможность заглянуть в «сильное поле» гравитации — область, где эффекты искривления пространства и времени становятся экстремальными, а поведение материи перестает быть линейным.
До сих пор такие процессы описывали исключительно уравнения Эйнштейна. Однако группа под руководством Элиаса Моста решила подойти к задаче иначе. Ученые предположили, что гравитацию можно представить по аналогии с электромагнитным полем, где роль электрических и магнитных линий играют так называемые гравитоэлектрические и гравитомагнитные поля.
«Мы давно моделировали поведение обычных электрических и магнитных полей вокруг черных дыр и хорошо понимали их динамику, — рассказал Элиас Мост. — Но гравитация остается трудной для визуализации. Мы захотели сделать ее «видимой» — как линии магнитного поля».
В своих симуляциях исследователи применили уже существующие численные модели, используемые для решения уравнений Эйнштейна, но переосмыслили их в терминах электродинамики. Такой подход позволил вычислить эквиваленты электрического и магнитного поля для гравитации и представить распространение гравитационных волн в виде привычных физикам структурных карт.
Результаты оказались неожиданными: оказалось, что общую теорию относительности действительно можно описывать с помощью уравнений, аналогичных уравнениям Максвелла. Это не только упростило визуализацию сложных пространственно-временных процессов, но и дало ключ к изучению того, как возникают нелинейные эффекты — когда гравитационные волны начинают взаимодействовать между собой.
Новая методика, уверены авторы, поможет лучше описывать слияния черных дыр и нейтронных звезд, а также станет инструментом для проверки предсказаний Эйнштейна в экстремальных условиях.
Ранее был создан новый прибор для изучения колебаний пространства-времени.
