새로운 분석은 중력파에 포함된 '비선형' 효과를 보여줍니다.

두 개의 블랙홀이 서로 충돌하여 더 큰 새로운 블랙홀을 형성하면 주변의 시공간을 격렬하게 휘젓고 중력파라는 물결을 사방으로 보냅니다. 블랙홀 충돌에 대한 이전 연구는 선형 수학으로 알려진 것을 사용하여 중력파의 동작을 모델링했습니다. 이제 새로운 분석이 동일한 충돌을 더 자세히 모델링하고 소위 비선형 효과를 드러냈습니다.

“비선형 효과는 파도가 해변 볏과 충돌할 때 발생하는 것입니다.”라고 Cornell University에서 공동 임명된 Caltech의 이론 천체물리학 로빈슨 교수 Saul Teukolsky(PhD ’74)와 함께 일하는 Caltech 대학원생 Keefe Mitman은 말합니다. “파동은 스스로 따라가기보다는 서로 상호 작용하고 영향을 미칩니다. 블랙홀 병합과 같은 격렬한 것으로 우리는 이러한 효과를 예상했지만 지금까지 모델에서 본 적이 없었습니다. 시뮬레이션에서 파형을 추출하는 새로운 방법은 비선형성을 볼 수 있게 했습니다.”

저널에 발표된 연구 물리적 검토 편지Caltech, Columbia University, University of Mississippi, Cornell University 및 Max Planck Institute for Gravitational Physics의 연구원 팀에서 왔습니다.

앞으로 새로운 모델은 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)가 2015년 처음으로 중력파를 직접 감지하여 역사를 만든 이후 일상적으로 관찰된 실제 블랙홀 충돌에 대해 더 많이 학습하는 데 사용될 수 있습니다. 공간. LIGO는 검출기가 이전보다 중력파에 훨씬 더 민감하게 만드는 일련의 업그레이드를 받은 후 올해 말에 다시 켤 것입니다.

Mitman과 그의 동료들은 Simulating eXtreme Spacetimes 협업(SXS)이라는 팀의 일원입니다. Teukolsky가 노벨상 수상자 Kip Thorne(BS ’62), Richard P. Feynman Caltech 명예 이론 물리학 교수와 공동으로 설립한 SXS 프로젝트는 슈퍼컴퓨터를 사용하여 블랙홀 병합을 시뮬레이션합니다. 슈퍼컴퓨터는 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론 방정식을 사용하여 블랙홀이 서로 나선형으로 합쳐지고 진화하면서 어떻게 진화하는지 모델링합니다. 사실, Teukolsky는 두 개의 거대한 물체가 합쳐진 직후에 발생하는 블랙홀 충돌의 “링다운” 단계를 모델링하기 위해 이러한 상대성 방정식을 사용하는 방법을 처음으로 이해했습니다.

“슈퍼컴퓨터는 전체 신호의 정확한 계산을 수행하는 데 필요합니다. 두 개의 궤도를 도는 블랙홀의 영감, 합병, 단일 정지 잔해 블랙홀로의 정착”이라고 Teukolsky는 말합니다. “정착 단계의 선형 처리는 꽤 오래 전에 Kip에서 내 박사 학위 논문의 주제였습니다. 이 단계의 새로운 비선형 처리는 파동의 보다 정확한 모델링을 허용하고 결국 일반 상대성 이론이 사실인지 여부에 대한 새로운 테스트를 허용할 것입니다. , 블랙홀에 대한 올바른 중력 이론.”

SXS 시뮬레이션은 지금까지 LIGO가 탐지한 거의 100개의 블랙홀 충돌을 식별하고 특성화하는 데 중요한 역할을 했습니다. 이 새로운 연구는 팀이 링다운 단계의 시뮬레이션에서 비선형 효과를 확인한 최초의 사례입니다.

“트램폴린에 두 사람이 있다고 상상해보십시오. “라고 Mitman은 말합니다. “부드럽게 점프하면 상대방에게 그다지 영향을 미치지 않아야 합니다. 이론이 선형적이라고 하면 그렇게 됩니다. 하지만 한 사람이 더 많은 에너지로 튀기 시작하면 트램폴린이 왜곡되고 다른 사람이 시작합니다. 그들의 영향력을 느끼기 위해서입니다. 이것이 우리가 비선형적이라는 의미입니다: 트램폴린 위의 두 사람은 다른 사람의 존재와 영향으로 인해 새로운 진동을 경험합니다.”

중력 측면에서 이것은 시뮬레이션이 새로운 유형의 파동을 생성한다는 것을 의미합니다. “큰 파동 아래에서 더 깊이 파고 들면 고유한 주파수를 가진 새로운 파동을 추가로 찾을 수 있습니다.”라고 Mitman은 말합니다.

큰 그림에서 이 새로운 시뮬레이션은 연구자들이 LIGO가 관찰한 미래의 블랙홀 충돌을 더 잘 특성화하고 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 더 잘 테스트하는 데 도움이 될 것입니다.

공저자인 컬럼비아 대학의 마카레나 라고스(Macarena Lagos)는 “이것은 중력파 탐지의 다음 단계를 준비하는 큰 단계이며, 이는 우주의 먼 곳에서 발생하는 이 놀라운 현상에서 중력에 대한 우리의 이해를 심화시킬 것입니다. “

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230221113137.htm