مطالعه معماها را در فروپاشی گرانشی امواج گرانشی حل می کند

سیاهچاله ها مناطقی در فضا هستند که کشش گرانشی آنقدر قوی است که هیچ چیز نمی تواند از آنها فرار کند، حتی نور. این مناطق جذاب کانون مطالعات بی‌شماری بوده‌اند، اما برخی از فیزیک زیربنای شکل‌گیری آن‌ها هنوز به طور کامل شناخته نشده است.

سیاهچاله ها به شکلی که به آن معروف است تشکیل می شوند فروپاشی گرانشی. این اساساً انقباض یک جسم کیهانی است که توسط گرانش خود ماده را به سمت داخل می کشد (یعنی به سمت مرکز ثقل جسم).

اینکه چنین جرمی در حال فروپاشی سیاهچاله را تشکیل می دهد یا نه، به ویژگی های خاص جسم بستگی دارد. در برخی موارد، یک جسم ممکن است بسیار نزدیک به آستانه باشد و تصمیم گیری در مورد تشکیل یا عدم تشکیل سیاهچاله را برای آن دشوار می کند. این نوع فروپاشی منجر به پدیده های به اصطلاح بحرانی می شود.

فیزیکدانان دهه‌هاست که در تلاش برای درک پدیده‌های حیاتی در فروپاشی گرانشی بوده‌اند، زیرا برخی از ویژگی‌های آن توسط سایر سیستم‌های فیزیکی شناخته‌شده مشترک است. یک سند اخیر منتشر شده که در نامه معاینه فیزیکی از یک همکاری تحقیقاتی بین‌المللی مستقر در کالج Bowdoin در ایالات متحده و مؤسسات دیگر در آلمان، پراگ، انگلستان و پرتغال توافقی بین سه شبیه‌سازی عددی مستقل از این پدیده‌ها پیدا کرد و برخی از معماهای قدیمی را در این زمینه حل کرد. تحقیق

“رویدادهای بحرانی در فروپاشی گرانشی در نزدیکی شروع تشکیل سیاهچاله بود برای اولین بار گزارش شد توماس دبلیو باومگارت، یکی از نویسندگان مقاله، به Phys.org گفت که توسط مت چوپتویک حدود 30 سال پیش انجام شده است.

“تا حدی به این دلیل که این اثرات دارای ویژگی های بسیاری با پدیده های حیاتی در سایر زمینه های فیزیک (مانند انتقال فاز در فیزیک آماری) هستند و تا حدودی به دلیل اینکه آنها به سؤالات اساسی در مورد خواص نسبیت عام می پردازند، بلافاصله توجه بسیاری از محققان از حوزه های مختلف را به خود جلب کردند. فیزیک.”

دو مورد از جذاب‌ترین ویژگی‌های فروپاشی گرانشی بحرانی، جهانی بودن و خود شباهت است. در این زمینه، اصطلاح جهان‌شمولی به این ایده اشاره دارد که مهم نیست محاسبه چگونه شروع شود، با نزدیک شدن به شروع شکل‌گیری سیاه‌چاله، راه‌حل همیشه یکسان خواهد بود. از سوی دیگر، خود شباهت به این معنی است که این راه حل جهانی با کاهش مقیاس فیزیکی همان الگوها را تکرار می کند.

در حالی که محاسبات Choptwick شامل میدان به اصطلاح اسکالر به عنوان منبع ماده بود، اندرو آبراهامز و چاک ایوانز بلافاصله پس از آن اثرات مشابهی را گزارش کرد باومگارت توضیح داد: برای فروپاشی گرانشی امواج گرانشی (یعنی برای گرانش خالص در غیاب هر ماده).

تفاوت دیگر این است که چوپتویک می‌توانست تقارن کروی را فرض کند، در حالی که امواج گرانشی نمی‌توانند در تقارن کروی وجود داشته باشند، بنابراین آبراهامز و ایوانز مجبور شدند فرض تقارن کروی را آرام کنند. متأسفانه، بازتولید این نتایج اخیر بسیار دشوار بود، زیرا برخی از کدهای عددی در این مورد به طور کامل شکست خوردند یا نتایجی ارائه کردند که به نظر می رسید با نتایج آبراهامز و ایوانز در تضاد باشد.

پس از نتایج ظاهرا متناقض به‌دست‌آمده در دهه 1990، ماهیت فروپاشی بحرانی «گرانش خالص» برای تقریباً سه دهه یک معمای حل‌نشده باقی ماند. با این حال، سه گروه تحقیقاتی مختلف اخیرا شبیه‌سازی‌های عددی مستقل از این فروپاشی را با استفاده از کدهای توسعه‌یافته مستقل انجام دادند.

بامگارت گفت: «این سه کد همگی معادلات نسبیت عام انیشتین را حل می‌کنند، اما از استراتژی‌های عددی کاملاً متفاوتی استفاده می‌کنند (به عنوان مثال، روش‌های طیفی در مقابل روش‌های تفاضل محدود). مختصات دکارتی در مقابل مختصات قطبی کروی، شرایط مختلف اندازه گیری و غیره. هر سه کد همچنین برای به اصطلاح «شرایط برش» انتخاب‌های متفاوتی دارند (یعنی انتخاب‌های متفاوتی را برای سرعت پیشروی در کدها می‌پذیرند).

هدف اصلی مطالعه اخیر باومگارت و همکارانش بررسی جمعی سه شبیه سازی عددی است که اخیراً توسط این سه تیم تحقیقاتی مختلف انجام شده است. بنابراین، مقاله آنها یک تلاش مشترک توسط تیم ها بود که هدف آن پیوند دادن تلاش های تحقیقاتی مستقل آنها برای روشن کردن ماهیت فروپاشی گرانشی بود.

باومگارت گفت: «به عنوان اولین کشف، گزارش می‌دهیم که با وجود تمام تفاوت‌های عددی، کدهای ما نتایج کاملاً ثابتی را برای فروپاشی بحرانی امواج گرانشی ارائه می‌دهند. این به ما اطمینان می‌دهد که این یافته‌ها درست هستند و مصنوعات عددی نیستند. انتخاب مناسب برای شرایط برش بسیار مهم است: یک انتخاب بسیار رایج دیگر که برای بسیاری دیگر از شبیه‌سازی‌های عددی نسبیت موفقیت‌آمیز بوده است، برای این مورد شکست خورده است. توضیح می دهد که چرا برخی از تلاش های قبلی برای حل این مشکل شکست خورده است.”

به طور خاص، در سه مستقل خود شبیه سازی عددی، محققان هیچ مدرکی برای حمایت از ویژگی جهانی پیدا نکردند. به عبارت دیگر، آنها دریافتند که شروع عددی با داده های اولیه متفاوت، با نزدیک شدن به تشکیل سیاهچاله، به مقادیر متفاوتی منجر می شود.

باومگارت گفت: «یافته‌های ما بخش دیگری از این پازل را توضیح می‌دهد. «برخی از مطالعات قبلی تفاوت‌هایی را با نتایج آبراهامز و ایوانز گزارش کرده‌اند که بنابراین متناقض به نظر می‌رسند. با این حال، این مطالعات همچنین از داده های پایه متفاوتی استفاده کردند. بنابراین، اختلاف بین نتایج تنها با فرض جهانی بودن – که ما هیچ مدرکی برای آن نمی بینیم – تناقضی را نشان می دهد.

در حالی که محققان هیچ مدرکی دال بر جهانی بودن پیدا نکردند، اما شواهدی آزمایشی از شباهت خود پیدا کردند. با این حال، جالب است که برخلاف آنچه در مورد فروپاشی بحرانی در تقارن کروی مشاهده شد، به نظر نمی‌رسد خود شباهتی که مشاهده کردند دقیق باشد.

در دهه 1990، آبراهامز و ایوانز نیز شباهت نادرست خود را گزارش کردند. بنابراین، این نتایج اخیر با یافته‌های قبلی سازگار است، و به طور بالقوه نشان می‌دهد که انحرافات گزارش‌شده از شباهت دقیق خود ممکن است به عدم تقارن کروی مرتبط باشد.

کار اخیر باومگارت و همکارانش ممکن است به زودی راه را برای مطالعات عددی و نظری جدید با هدف مطالعه بیشتر و فرمول بندی مجدد فروپاشی بحرانی امواج گرانشی هموار کند. این می تواند فیزیکدانان را به کشف ماهیت و اسرار این پدیده فیزیکی جذاب که پیش از شکل گیری شناخته شده است نزدیک تر کند. سیاه چاله ها.

باومگارت افزود: “اگرچه ما معتقدیم که کار ما چندین سوال باز را در زمینه فروپاشی موج گرانشی بحرانی حل کرده است، اما چندین سوال بعدی باقی مانده است.” برای مثال، ما راه‌حل‌های تقریباً مشابهی را برای برخی از خانواده‌های داده‌های اولیه یافتیم، اما برای برخی دیگر نه، و ماهیت «راه‌حل آستانه» برای این خانواده‌های دیگر نامشخص است.

همچنین انجام شبیه‌سازی‌ها با تنظیم دقیق‌تر به سمت شروع شکل‌گیری سیاه‌چاله (به عنوان مثال استفاده از کدهای عددی با وضوح بالاتر و/یا سایر پیشرفت‌ها) برای بررسی اینکه آیا یک راه‌حل تنظیم دقیق بحرانی جهانی بهتر از هر کسی تا به حال به دست آورده است.

در نهایت، ما قصد داریم بررسی کنیم که چه چیزی باعث انحراف از شباهت دقیق خود می‌شود و مشخص کنیم که آیا این انحرافات مستقیماً با عدم تقارن کروی مرتبط هستند یا خیر.

© 2023 Science X Network