Методы из физики частиц помогли точно рассчитать столкновения чёрных дыр

В издании Nature представлено новаторское исследование, предлагающее новый подход к анализу данных гравитационных обсерваторий. Международная команда учёных, в том числе из Берлина и Великобритании, впервые смогла вычислить параметры столкновений чёрных дыр с такой точностью, которая была ранее недостижима в теоретических моделях. Это позволит более точно расшифровывать сигналы будущих детекторов, таких как космическая обсерватория LISA, запуск которой запланирован на 2030-е годы.

Основой исследования стали методы, взятые из области физики элементарных частиц. Учёные описали взаимодействие чёрных дыр как серию «обменов» гравитационными импульсами, аналогично тому, как происходит столкновение частиц в ускорителях. Для этого потребовалось решить миллионы уравнений, которые удалось упростить до 40 ключевых формул. Расчёты заняли 300 000 часов суперкомпьютерного времени Берлинского института Цузе — это эквивалент работы стандартного процессора в течение 34 лет.

Неожиданным открытием стало выявление в расчётах структур, известных как многообразия Калаби-Яу — сложные геометрические фигуры, ранее изучаемые только в теории струн. Эти «математические ландшафты», представляющие пространства с более чем шестью измерениями, оказались ключевыми для точного определения энергии, выделяемой при столкновениях чёрных дыр. «Они выступают как оптические линзы, фокусируя наши расчёты», — пояснил Бенджамин Зауэр, один из авторов исследования.

Разработанные модели уже подтвердили данные обсерваторий LIGO и Virgo для систем, в которых чёрные дыры движутся с околосветовыми скоростями. Однако главная цель — подготовка к работе LISA, которая сможет фиксировать низкочастотные сигналы, недостижимые для современных детекторов. Точные модели помогут выделять такие события из окружающего шума.

На следующем этапе планируется включение в модели систем с почти равными массами чёрных дыр, где, как ожидается, влияние многообразий Калаби-Яу станет более заметным. Это приближает нас к пониманию процессов формирования и эволюции массивных объектов в галактиках.

Источник: iXBT