Что такое «Задача трех тел» и почему ее невозможно решить?

Что такое «Задача трех тел» и почему ее невозможно решить? Решить задачу трех тел невероятно сложно из-за гравитационного взаимодействия между объектами, которое делает их движение хаотичным и непредсказуемым. Фото.

Решить задачу трех тел невероятно сложно из-за гравитационного взаимодействия между объектами, которое делает их движение хаотичным и непредсказуемым.

Недавно компания Tencent выпустила научно-фантастический сериал по мотивам романа китайского фантаста Лю Цысиня «Задача трех тел», действие разворачивается в 2006 году, когда нанотехнолог Ван Мяо становится свидетелем странных событий в мировой науке, а его коллеги заканчивают жизнь самоубийством. Отметим, что и роман и телеадаптация относятся к жанру твердой научной фантастики, а Лю Цысиня многие сравнивают с Айзеком Азимовым. Так, само название произведения отсылает к классической проблеме в области небесной механики, в которой рассматривается движение трех тел, взаимодействующих друг с другом посредством гравитации. Задача, по сути, не имеет решения – предсказать движение трех небесных объектов в долгосрочной перспективе невозможно. И хотя на первый взгляд задача не кажется сложной, она демонстрирует как устройство Вселенной, так и нашу ограниченность ее познания.

"Память о прошлом Земли" — научно-фантастическая трилогия писателя Лю Цысиня, включающая романы «Задача трёх тел» (2006), «Тёмный лес» (2008), «Вечная жизнь Смерти» (2010)

Задача трех тел в астрономии

«Задача трех тел» долгое время была проклятием астрофизиков. Ее решение считается невозможным, поскольку движение тел быстро становится хаотичным. Чтобы понять в чем дело, представим Землю и Луну, которые обращаются вокруг Солнца. Так как Луна продолжает вращаться вокруг нашей планеты и каждый месяц завершает полную орбиту, все прекрасно. Но что произойдет, если к Земле приблизиться блуждающая планета, как, например, в фильме «Меланхолия» (2011)?

Рассчитать будущую траекторию движения Земли и Луны несложно (что в свое время отметил Исаак Ньютон), однако третий объект – блуждающая планета – делает любой прогноз невозможным. Даже крошечное изменение начальных положений любого из трех тел вскоре приведет к совершенно разным прогнозам относительно их будущего расположения. Более того, решения не существует, даже если отслеживать движения каждого «тела» от наносекунды к наносекунде.

Задача трех тел в астрономии. Достоверно предсказать, какое влияние три тела окажут друг на друга в долгосрочной перспективе нельзя. Кадр из фильма «Меланхолия». Фото.

Достоверно предсказать, какое влияние три тела окажут друг на друга в долгосрочной перспективе нельзя. Кадр из фильма «Меланхолия»

Помимо задачи трех тел в современной астрономии и космологии существует целый ряд нерешенных проблем, включая таинственную темную энергию

К слову, в учебниках физики и экзаменационных вопросах встречается идеально изолированная система, состоящая из звезды и вращающейся по орбите планете. Однако в реальной Вселенной все сложнее – астрономы не могут отследить траекторию столкновения трех звезд, несущихся навстречу друг другу в космическом пространстве. Учитывая, что начальное положение тел в задаче также является неизвестным, вычислить их точную траекторию движения в долгосрочной перспективе невозможно.

Возможные решения задачи трех тел

И все же, существует ряд возможных решений этой задачи, например, с помощью введения в переменную «особого случая». Так, если массу одного объекта (например, космического корабля) счесть бесконечно малой, то задача получит решение. В другой ситуации можно представить три тела, образующие равносторонний треугольник, либо оставить два тела неподвижными и – вуа-ля, ответ перед нами. Вот только наш «особый случай», решением основной задачи не является.

Существует также упрощенный вариант задачи, для которого можно найти аналитическое решение например, убрав из системы третье тело (в этом случае масса одного объекта будет меньше массы другого и не окажет существенного влияния на движение других небесных тел). Этот случай называется ограниченной задачей трех тел и используется для анализа движения искусственных спутников и малых тел Солнечной системы.

Возможные решения задачи трех тел. Если из уравнения убрать третье тело, задача быстро обретает решение. Фото.

Если из уравнения убрать третье тело, задача быстро обретает решение

Читайте также: 5 явлений, которые ученые до сих пор не могут объяснить

Звездообразование и гравитационные волны

И хотя задача трех тел не подлежит аналитическому решению (когда набор уравнений приводит к единственному окончательному ответу), в 2020 году добиться некоторого прогресса все-таки удалось с помощью статистического подхода. Авторы исследования, опубликованного в журнале The Astrophysical Journal Letters, изучали двойные системы, к которым приближается третий объект, что, как считается, должно постоянно происходить в молодых звездных скоплениях.

Эта работа традиционно проходит с использованием компьютерных моделей, которые показывают, что тройная система в большинстве случаев будет вести себя как двойная: третья звезда находится удаленно и слабо взаимодействует с двумя центральными объектами, – отмечают исследователи.

По мере развития событий, однако, третья звезда вступает в активное взаимодействие с двумя другими, в результате чего одна из них отбрасывается назад – туда, где вновь становится далеким объектом. Этот процесс повторяется до тех пор, пока звезду окончательно не выбросит из системы. Выглядит логично, однако эти расчеты – не более чем результат моделирования и не являются аналитическими предсказаниями того, что может произойти на самом деле.

Звездообразование и гравитационные волны. Гравитационно-волновая обсерватория лазерного интерферометра LIGO. Фото.

Гравитационно-волновая обсерватория лазерного интерферометра LIGO

Исследователи, однако, предположили, что если провести множество подобных симуляций, то рано или поздно можно получить наиболее вероятный прогноз развития событий, тем самым оказав помощь астрономам из различных областей. Но и здесь есть одно исключение – гравитационные волны.

Хотите всегда быть в курсе последних открытий в области науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

Напомним, что за движением и столкновением черных дыр наблюдают исследователи из лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Их цель заключается в том, чтобы понять как и почему образуются и сталкиваются эти объекты. Как правило речь идет о взаимодействии двух черных дыр, однако наличие третьей может также способствовать процессу слияния. И если это действительно так, то решение одной из старейших задач астрономии может скрываться в этих статистических данных.

Абстрактное решение задачи трех тел

Статистические прогнозы для многих гипотетических сценариев, подобных описанным выше, кажется, и правда могут справиться с задачей трех тел. Так, авторы исследования 2021 года решили отказаться от тройной системы и посмотреть на космос как на дырявый воздушный шар из швейцарского сыра. Столь специфичный подход, в итоге, предлагает потенциально революционное решение задачи.

В работе, опубликованной в журнале Celestial Mechanics and dynamic astronomy, используется довольно абстрактная концепция, включающая хаос между телами, вращающимися по одной орбите. Необходимо отметить, что когда физики говорят о «хаосе», то имеют в виду гораздо более сложную концепцию, чем мы можем представить, поскольку зияющая пустота космоса заполнена бесчисленными взаимодействующими силами — от солнечного ветра до мощной гравитации далеких звезд. Вместе эти силы порождают настоящий математический хаос (или непредсказуемый результат).

Абстрактное решение задачи трех тел. Математический хаос в популярной культуре чаще всего представлен как эффект бабочки. Фото.

Математический хаос в популярной культуре чаще всего представлен как эффект бабочки.

Предположив, что абстрактный подход к задаче трех тел, может помочь в решении проблемы, космологи обратились к так называемому «фазовому пространству» – понятию в математике и физике, каждая точка которого соответствует одному (и только одному) состоянию из множества всех возможных состояний системы. Эта точка называется «изображающей» или «представляющей».

Читайте также: Погружение в теорию хаоса – непредсказуемость и эффект бабочки

Таким образом, каждая точка в фазовом пространстве представляет собой одну из возможных конфигураций трех звезд: трехмерное положение, трехмерная скорость и масса каждого объекта. Когда три тела встречаются в некоторой точке фазового пространства, ученые могут проследить их путь по мере перехода от одной конфигурации к другой. И если добавить физические ограничения, например, закон сохранения энергии, в фазовом пространстве останется только восемь конфигураций, представленных со всеми возможными исходами. После чего статистическим методом можно обнаружить нужные числовые значения.

Зачем менять правила игры?

Физик Барак Кол из Еврейского университета, возможно, изменил правила игры для восьмимерного фазового пространства. Вместо того, чтобы сосредоточиться на границе между хаотической областью и областью регулярного движения, Кол предположил существование на космических просторов особых мест, хаос в которых как бы «включается и выключается».

Зачем менять правила игры? Реликтовое излучение позволило космологам по-новому взглянуть на Вселенную и ее жволюцию. Фото.

Реликтовое излучение позволило космологам по-новому взглянуть на Вселенную и ее жволюцию

Со временем, по мере взаимодействия трех тел в области хаоса, становится все более и более вероятным, что одно из тел вылетит из системы. Таким образом, группа из двух небесных тел погрузится в хаос, когда в поле зрения появится третье тело, – объясняет Кол.

Следующим шагом, вероятно, станет выполнение множества симуляций столкновения одиночных звезд с парными звездами, что позволит ученым нащупать математические границы области хаоса. Будем надеяться, что подобный подход приведет к созданию математической модели, способной решить задачу трех тел.

Это интересно: Как люди изобрели математику?

Роман Лю Цысиня «Задача трех тел»

Как видите, задача трех тел крайне сложна и требует не только знаний, но и способности взглянуть на Вселенную под совершенно другим углом. В некоторых случаях, как и предполагает фантаст Лю Цысинь в романе, решение проблемы может потребовать от ученых отказа от имеющихся теорий. Так, некоторые герои произведения заявляют, что «физики не существует» (и никогда не существовало), а правду о Вселенной способны вынести далеко не все.

Эксперименты на ускорителях частиц дают противоречивые результаты, из-за чего ученые, считая, что предел познания Вселенной достигнут, совершают самоубийства. Тем временем военные и спецслужбы приходят к выводу, что кто-то или что-то пытается затормозить научный прогресс на Земле, – краткое описание сюжета.

Роман Лю Цысиня «Задача трех тел». В 2006 году нанотехнолог становится свидетелем череды странных событий в мировой науке и соглашается участвовать в расследовании. Из-за этого ему начинают мерещиться цифры с обратным отсчетом. Фото.

В 2006 году нанотехнолог становится свидетелем череды странных событий в мировой науке и соглашается участвовать в расследовании. Из-за этого ему начинают мерещиться цифры с обратным отсчетом.

Особое внимание Цысинь обращает на гипотезу стрелка и фермера (СФ), согласно которой мы, подобно индюшкам на ферме, не можем выйти за ее пределы и представить себе мир фермера. Это означает, что у нашей науки есть рубежи, преодолеть которые невозможно. Более того, то, что мы называем законами Вселенной, не обязательно ими являются.

Не пропустите: «Все везде и сразу» с точки зрения науки: какой может быть мультивселенная?

«Задача трех тел», помимо прочего, знакомит читателя с актуальными научными данными о Вселенной и реликтовом излучении, нанотехнологиях и прикладной физике, несоответствии общей теорией относительности (ОТО) и квантовой механики, историей науки и китайской культурой. Роман (впрочем, как и его экранизация) является глубоким философским произведением и в 2015 году стал обладателем премии «Хьюго» как лучший фантастический роман года. Прим.автора: «Хьюго» – англоязычная читательская литературная премия, присуждаемая ежегодно лучшим научно-фантастическим, реже — фэнтезийным произведениям.

Роман Лю Цысиня «Задача трех тел». Научный прогресс может привести к гибели нашей цивилизации. Не стоит об этом забывать. Фото.

Научный прогресс может привести к гибели нашей цивилизации. Не стоит об этом забывать

Твердая научная фантастика – категория или поджанр научной фантастики, к которой принято относить произведения, уделяющие внимание прежде всего вопросам науки и техники и обычно противопоставляемые «мягкой» гуманитарной научной фантастике.

Внимание к сериалу и роману также обусловлено тем, что произведения в поджанре твердой научной фантастики выходят не часто, а массовая поп-культура все больше стремится к упрощению сложности. Так, объяснение путешествий сквозь пространство и время с помощью червоточин как правило сводится к сложенному пополам листку бумаги и карандашу. Словом, рекомендую к прочтению и просмотру всем любителям жанра. Ну а для тех, кто не привык к особому стилю китайского кинематографа, Netflix приготовил отличный сюрприз в виде собственной экранизации.

Ученые создают самую подробную карту вещества во Вселенной. Почему это важно?

Ученые создают самую подробную карту вещества во Вселенной. Почему это важно? Ученые создают самую подробную в истории карту вещества во Вселенной. С ее помощью можно обнаружить материю, скрытую от наших глаз и инструментов. Фото.

Ученые создают самую подробную в истории карту вещества во Вселенной. С ее помощью можно обнаружить материю, скрытую от наших глаз и инструментов

Через 400 000 лет после Большого взрыва первичная плазма зарождающейся Вселенной начала остывать, что привело к образованию первых атомов. Затем появилось реликтовое излучение – тепловое излучение, равномерно заполняющее Вселенную и распространяющееся во всех направлениях. Этот космический микроволновый фон (CMB), впервые зарегистрированный в 1965 году, удалось зафиксировать с помощью современных телескопов и увидеть какой была Вселенная вскоре после своего рождения. Сегодня мощные астрономические инструменты позволяют создавать каталоги и карты, отображающие не только галактики и небесные тела, но и крупномасштабные структуры Вселенной. Считается, что они формировались миллиарды лет по мере расширения и «старения» нашего мира. Но вот что особенно интересно – недавно исследователи пришли к выводу, что все вещество во Вселенной, будь то темная материя или плазма, расположено неравномерно. Если создатели новой, самой подробной карты Вселенной правы, то наши представления о космосе придется пересмотреть.

Вселенная – это театр теней, а галактики – его главные действующие лица.

Реликтовое излучение

После того, как ученые обнаружили реликтовое излучение, они нанесли на карту крошечные колебания температуры, оставшиеся после Большого взрыва. Пристальное внимание к СМВ объяснимо – это излучение пережило большую часть истории Вселенной, сохранив отпечатки всех изменений, происходивших на протяжении 14 миллиардов лет.

За это время реликтовое излучение встречалось с галактиками и другими космическими структурами, растягивалось, сжималось и деформировалось. Отпечатки этих встреч, оставленные СМВ, многое говорят о распределении всей материи во Вселенной, что является ключом к разгадке фундаментальных космологических загадок.

Реликтовое излучение. Реликтовое излучение позволяет многое узнать не только об условиях, царивших в ранней Вселенной, но и о самих галактиках на ее просторах. Фото.

Реликтовое излучение позволяет многое узнать не только об условиях, царивших в ранней Вселенной, но и о самих галактиках на ее просторах.

В отличие от стандартных оптических исследований, которые фиксируют свет, испускаемый звездами, СМВ учитывает основную массу галактик, скрытую от глаз либо в виде сгустков темной материи, либо в виде рассеянного ионизированного газа, соединяющего галактики.

Больше по теме: Почему в межзвездном пространстве не так темно, как считалось раньше?

Вселенная теней

По мере развития астрономических инструментов стало понятно, что реликтовое излучение хранит в себе намного больше информации, чем считалось раньше. Так, за последние 10 лет ученым удалось подтвердить эффект Сюняева—Зельдовича, теоретезированный в 1960-е годы – он позволяет понять как менялась интенсивность радиоизлучения реликтового фона на горячих электронах межзвездного и межгалактического газа.

Еще один эффект, известный как слабое гравитационное линзирование, искажает траекторию реликтового излучения, когда оно проходит вблизи массивных объектов и искажается подобно тому, как если бы на него смотрели через основание винного бокала. Если говорить совсем просто, то слабое гравитационное линзирование позволяет увидеть невидимое и отличить темную материю от обычной.

Вселенная теней. Большая часть вещества во Вселенной скрыта от наших глаз и инструментов. Фото.

Большая часть вещества во Вселенной скрыта от наших глаз и инструментов

Еще больше интересных статей о реликтовом излучении и новейших космических телескопах читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен – там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

В совокупности эти эффекты позволили космологам составить точную карту местоположения и температуры абсолютно всей видимой материи во Вселенной (которая сохраняет характерную сигнатуру, извлекаемую из полученных изображений СМВ). И если наложить эту карту на имеющиеся изображения звезд и галактик, можно не только измерить космические расстояния, но и отследить процессы звездообразования.

В 2021 году команда ученых из Страсбургской астрономической обсерватории (Франция), применила этот подход. Изучив данные CMB, полученные с помощью Европейского космического агентства (ЕКА) и космологического телескопа Атакамы, исследователи объединили их с данными оптических телескопов, включающих почти 500 000 галактик. Поразительно, но полученный результат позволил измерить соотношение обычной и темной материи.

Вселенная теней. Вещество неравномерно распределено по Вселенной, однако раньше считалось иначе. Фото.

Вещество неравномерно распределено по Вселенной, однако раньше считалось иначе

Анализ также показал, что взрывы сверхновых звезд и аккрецирующие сверхмассивные черные дыры вытесняют газ из узлов темной материи и распределяют его (обычные телескопы не в состоянии этого обнаружить). Более того, новые данные не совпадают с предсказаниями большинства космологических моделей, а значит ответить на целый ряд фундаментальных вопросов космологии с их помощью невозможно.

Кстати, после Большого взрыва во Вселенной происходила масса необычных и странных процессов. О том, каких именно, можно прочитать здесь, рекомендуем!

Самая подробная карта Вселенной

Учитывая данные, полученные за последние 10 лет с помощью новейших астрономических инструментов ученые пришли к выводу, что вещество во Вселенной распределено не равномерно что не соответствует общепринятой космологической теории. Подробная карта скоро будет представлена широкой общественности и, как полагают астрономы, поможет понять целый ряд существующих противоречий. Все это означает, что наше понимание устройства Вселенной ошибочно (по крайней мере частично).

В исследовании принимают участие более 150 ученых, в том числе из Чикагского университета и Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми. Цель проекта – определить и понять силы, ответственные за эволюцию Вселенной. Исследователи полагают, что если материя не распределена по Вселенной «комками», то в существующей сегодня модели не хватает чего-то действительно важного.

Самая подробная карта Вселенной. Перед вами карта того, как темная материя распределена по Вселенной. Фото.

Перед вами карта того, как темная материя распределена по Вселенной

Проведенный в ходе работы анализ (включая анализ последних данных о реликтовом излучении) позволил определить более точное местоположение материи, которая не только не распределяется равномерно и не «комкуется» но и группируется в определенных областях, – объясняют астрономы.

Согласитесь, звучит революционно. Эти выводы, однако, являются предварительными и у ученых впереди много работы. Однако результаты анализа уже позволили получить крайне полезную информацию благодаря наблюдениям и современным астрономическим инструментам. Посмотреть как выглядит общепринятая модель Вселенной можно здесь.

Ранее ученые опубликовали первую карту наблюдаемой Вселенной в рентгеновском излучении, подробнее мы рассказывали в этой статье.

Новая эра космологии

Исследователи, принимающие участие в создании самой масштабной карты Вселенной за всю историю наблюдений только начинают осознавать истинные возможности проделанной работы: «Это сенсационное улучшение космологической модели по сравнению со всеми созданными ранее. В это трудно поверить, но мы, возможно, находимся на перепутье… новой модели Вселенной», – сообщают авторы научной работы.

Новая эра космологии. Подробная карта всей видимой материи во Вселенной. Фото.

Подробная карта всей видимой материи во Вселенной

Так как в основе стандартной модели космологии лежит реликтовое излучение, новые данные могут оказаться революционными. Отметим также, что в работе ученые объединили данные двух крупнейших исследований Вселенной, проведенных с помощью Dark Energy Survey и South Pole Telescope.

Пять-10 лет назад люди думали, что с космологией покончено. Но это меняется и мы, судя по всему, вступаем в новую эру космологических исследований, – утверждают космологи.

Новая эра космологии. Вселенная и ее мощь поражают воображение. Фото.

Вселенная и ее мощь поражают воображение

Кстати, ранее астрономы составили подробную карту одной из границ Солнечной системы. Заинтригованы? Вам сюда!

Если результаты будущих исследований подтвердят озвученые выводы, то наша Вселенная на самом деле не является одинаковой для наблюдателя во всех направлениях. И хотя звучит заманчиво, говорить об окончательных выводах преждевременно. И тем не менее только представьте – возможно в самом ближайшем будущем мы наконец докажем существование темной материи. А это – настоящий прорыв.

Как узнать что находится внутри черных дыр? И причем тут гравитационные волны?

Как узнать что находится внутри черных дыр? И причем тут гравитационные волны? Во Вселенной происходи множество космических катастроф, например, столкновение сверхмассивных черных дыр. Фото.

Во Вселенной происходи множество космических катастроф, например, столкновение сверхмассивных черных дыр

Когда Купер – главный герой знаменитого «Интерстеллар», пересекает горизонт событий черной дыры и попадает в четырехмерное пространство, то ̶з̶а̶с̶т̶р̶е̶в̶а̶е̶т̶ ̶в̶ ̶к̶о̶м̶н̶а̶т̶е̶ ̶с̶в̶о̶е̶й̶ ̶д̶о̶ч̶е̶р̶и̶ может видеть любые объекты и исходящие от них «нити» времени. Но что на самом деле происходит внутри этих космических монстров? Общая теории относительности (ОТО) гласит, что за горизонтом событий скрывается сингулярность, а значит пространство и время сжимаются. Формально, сингулярность – это точка, в которую сколлапсировал материал, образующий черную дыру, а известные нам законы физики там попросту не работают. Ученые, однако, не исключают и другие варианты. Стивен Хокинг, например, не исключал, что черные дыры могут быть порталами в другие вселенные. Но как узнать что находится внутри, если ни один человек никогда не сможет там оказаться? Ответ на этот вопрос могут подсказать гравитационные волны и компьютерное моделирование.

Что такое сингулярность и «точка невозврата»?

В 2015 году ученые из лабораторий LARGO и VIRGO сообщили об обнаружении гравитационных волн в результате столкновения двух черных дыр. До этого момента черные дыры считались гипотетическими объектами, а в способность доказать их существование не верил даже Эйнштейн (то же можно сказать и о гравитационных волнах). Однако на дворе 2023 год, а у человечества «в кармане» не только гравитационные волны, но и снимки горизонта событий двух черных дыр.

Напомним, что черные дыры представляют собой объекты в пространстве-времени, сила гравитации которых настолько велика, что вся поглощенная ими материя исчезает навеки. Мы знаем об этом благодаря горизонту событий – светящемуся кольцу этих космических монстров. Когда материя пересекает так называемую точку невозврата, то навсегда становится пленницей черных дыр.

Что такое сингулярность и «точка невозврата»? Внешний круг черной дыры называется горизонтом событий, а в центре космического монстра располагается сингулярность. Фото.

Внешний круг черной дыры называется горизонтом событий, а в центре космического монстра располагается сингулярность.

То, как выглядит горизонт событий мы увидели весной 2019 года, после публикации снимка "Стрельца А* – центрального объекта галактики Messier 87, расположенной на расстоянии 54 миллионов световых лет от Земли. Следующим изображением, опубликованном
в мае 2022 года, стал снимок черной дыры в сердце Млечного Пути.

Освежив в памяти открытия последних лет, не будем забывать о сингулярности – центральной области черной дыры, расположенной за горизонтом событий. Считается, что в этой точке сосредоточена масса черной дыры с бесконечной плотностью, однако что именно там происходит неизвестно.

Черные дыры и компьютерные модели

Но вернемся к гравитационным волнам – «ряби» в пространстве времени, которая распространяется подобно волнам в результате космических катастроф – столкновений нейтронных звезд или черных дыр: чем больше масса и скорость движения объектов, тем больше колебания гравитационных волн.

Обнаружение гравитационных волн в очередной раз подтвердило ОТО Эйнштейна, а за прошедшие с тех пор годы было обнаружено около 100 сливающихся черных дыр. Теперь, благодаря работе команды 14 ученых во главе профессором Колумбийского университета Ламом Хуэем, моделирование космических катастроф прокладывает путь к более глубокому пониманию структуры черных дыр во время столкновений.

Черные дыры и компьютерные модели. Столкновение таких массивных объектов как нейтронные звезды и черные дыры порождает гравитационные волны, сотрясающие пространство-время. Фото.

Столкновение таких массивных объектов как нейтронные звезды и черные дыры порождает гравитационные волны, сотрясающие пространство-время

Подробнее об открытии гравитационных волн мы рассказывали здесь, не пропустите.

В работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, команда описывает усложненный способ моделирования сигнала, излучаемого гравитационными волнами, путем включения в модель нелинейных взаимодействий. Ранее модели гравитационных волн включали только линейные взаимодействия, которые хорошо работают, но не учитывают различные виды поведения наблюдаемых космических объектов. Новое исследование улучшает модели на 10% (а это много).

Это большой шаг в подготовке к следующему этапу обнаружения гравитационных волн и пониманию гравитации и явлений, наблюдаемых в дальних уголках космоса, – пишут авторы научной работы.

Отметим, что нелинейность моделей для описания гравитационных волн можно сравнить с волнами в океане: спокойно поднимающиеся и опускающиеся описаны линейными уравнениями, а крупные и разбивающиеся – нелинейными. Последние демонстрируют движение воды в волне, включая капли воды, что содержатся в воздухе.

Черные дыры и компьютерные модели. Перед вами процесс поглощения звезды черной дырой. Фото.

Перед вами процесс поглощения звезды черной дырой

Новый метод также дает подсказки о том, что происходит внутри черных дыр, описывая гравитацию в экстремальных астрофизических условиях. «В попытках докопаться до истины мы наблюдаем за рябью пространства-времени как детективы. И это – лучший способ узнать как можно больше об их таинственной природе», – отметил один из 14 авторов научной работы.

Читайте также: Настольный детектор гравитационных волн уловил странные, новые сигналы

Моделирование черных дыр

Исследование пришлось как нельзя кстати: в марте обсерватория LIGO вновь приступит к работе после закрытия в 2020 году из-за пандемии COVID-19. Ожидается, что в ближайшие годы сбором данных займутся несколько крупных детекторов гравитационных волн, а наличие улучшенных компьютерных моделей может привести к новым открытиям.

Улучшенные компьютерные модели позволяют оценить пространственно-временную структуру черных дыр и их содержимое, так как «прислушиваются» к звуку, исходящему от столкновения и слияния этих космических монстров. Ожидается, что в будущем эти модели помогут составить карту внутренней структуры черных дыр и того, что происходит с оказавшейся там материей.

Моделирование черных дыр. В модели используются новые методы для анализа волн, испускаемых черными дырами при столкновении. Фото.

В модели используются новые методы для анализа волн, испускаемых черными дырами при столкновении.

Нелейные взаимодействия можно сравнить с встряхиванием коробки и издаваемом в результате звуком, который позволяет узнать о ее содержимом. В данном случае тряска – столкновение двух черных дыр, а звук – издаваемые в процессе гравитационные волны. Результат, как ожидают специалисты, позволит обнаружить еще больше космических катастроф в самых отдаленных уголках Вселенной.

Больше по теме: Что странного в столкновении нескольких черных дыр? И причем тут гравитационные волны?

Дальнейшая работа над улучшением компьютерных моделей – это большой шаг в подготовке к следующему этапу обнаружения гравитационных волн и изучению самой главной (и загадочной) силы природы – гравитации и ее поведения на просторах бесконечной Вселенной. Но компьютерное моделирование – лишь малая часть этой колоссальной работы.

Как объяснить сингулряность?

Пролить свет на тайну содержимого черных дыр может темная энергия – сила, благодаря которой Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью (что, на секунду, противоречит ОТО). О том, что ключ к пониманию структуры черных дыр связан с темной энергией, говорят результаты новых исследований, в ходе которых ученые измерили массу черных дыр в гигантской эллиптической галактике.

Звездообразование в таких галактиках как правило останавливается, а «строительного» материала катастрофически не хватает. Это означает, что черным дырам в центре таких галактик нечего поглощать, а значит набирать массу эти объекты не могут, – объясняют специалисты.

Как объяснить сингулряность? В центре черной дыры располагается сингулярность. Верхняя и нижняя точки – горизонт событий, поглощающий все вокруг и не выпускающий материю за пределы черной дыры. Фото.

В центре черной дыры располагается сингулярность. Верхняя и нижняя точки – горизонт событий, поглощающий все вокруг и не выпускающий материю за пределы черной дыры

Как показали результаты сразу двух исследований физиков из Гавайского университета, опубликованных в журнале Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters, в отдаленных эллиптических галактиках без звездообразования, сверхмассивные черные дыры продолжали расти. Более того, эти таинственные объекты становились все более массивными примерно с той же скоростью, с которой расширялась Вселенная. «Это наводит на мысль о том, что черные дыры могут играть определенную роль в создании темной энергии», – говорится в статье.

Не пропустите: Могут ли гравитационные волны разрешить кризис космологии?

В нашем сегодняшнем понимании центр черной дыры – это точка, в которой известные законы физики не работают из-за чрезмерной силы гравитации. При этом сингулярность математически невозможна.
«Когда физика внутри черной дыры становится странной, ее масса оказывается связанной с расширением всей Вселенной», – сообщают исследователи.

Как объяснить сингулряность? Некоторые физики полагают, что черные дыры являются источником таинственной темной энергии, ответственной, как считается, за расширение Вселенной. Фото.

Некоторые физики полагают, что черные дыры являются источником таинственной темной энергии, ответственной, как считается, за расширение Вселенной

Многие физики также высказывали предположения о том, что вместо сингулярности центр черной дыры может содержать так называемую вакуумную энергию – одну из возможных форм загадочной темной энергии. И все же, утверждать, что физики разгадали как тайну темной энергии и знают что находится внутри черных дыр, нельзя. Однако использование обновленных компьютерных моделей наряду с дальнейшими наблюдениями и сбором данных, позволят ответить на многие фундаментальные вопросы о мире и Вселенной, в котором мы живем.

О том, могут ли черные дыры оказаться порталами для путешествий сквозь пространство и время мы рассказывали в этой статье, не пропустите!

А как вы думаете, что находится внутри черных дыр? Могут ли они быть порталами в другие миры или являются источником таинственной темной энергии? Ответ, как и всегда, ждем в нашем Telegram чате и комментариях к этой статье!

Существуют ли параллельные вселенные?

Существуют ли параллельные вселенные?Возможно, наша вселенная не единственная. Может быть, существуют другие вселенные, другие версии нас самих с другими историями и альтернативными исходами того, что пережили мы. Нет, это не начало научно-фантастического романа, а одна из возможностей, которые предлагает нам теоретическая физика. Вот что говорит наука о существовании параллельных вселенных. Существуют ли другие вселенные, кроме нашей? Как бы …

Существует четыре основных типа планетных систем. Наша Солнечная система принадлежит к редчайшим

Существует четыре основных типа планетных систем. Наша Солнечная система принадлежит к редчайшимС тех пор как начали открывать экзопланеты и целые планетные системы, помимо нашей собственной, ученые поняли, что Солнечная система совершенно уникальна. Точный порядок расположения малых каменистых планет и больших газообразных планет не соблюдался в большинстве систем, наблюдаемых нашими телескопами, поэтому было очевидно, что только благодаря ряду до сих пор неизвестных балансов наша система сложилась так, …

Космический взрыв, происходящий раз в тысячелетие

Космический взрыв, происходящий раз в тысячелетиеГамма-всплеск GRB 221009A был обнаружен 9 октября 2022 года космическим телескопом Swift. Он был исключительно ярким и продолжительным (более десяти часов!). Событие было настолько мощным, что перегрузило большинство детекторов на Земле и на орбите. Некоторые фотоны несли рекордную энергию 18 ТэВ! Как самый мощный из когда-либо зарегистрированных гамма-всплесков, он считается исключительным событием, происходящим только раз …

Первые доказательства того, что черные дыры могут быть источником темной энергии

Первые доказательства того, что черные дыры могут быть источником темной энергииГруппа исследователей впервые нашла доказательства того, что сверхмассивные черные дыры могут являться источником темной энергии, способствующей ускорению космического расширения. Начав с космологической эволюции черных дыр в центре древних спящих галактик, исследователи обнаружили, что быстрый рост этих объектов не может быть объяснен известными явлениями. Этот чрезмерный рост, похоже, идет рука об руку с ускоряющимся расширением Вселенной, …

Тайна, связанная с внезапным замедлением магнитара

Тайна, связанная с внезапным замедлением магнитара5 октября 2020 года магнетар, особый тип нейтронной звезды, внезапно уменьшил скорость своего вращения – очень редкое и в то же время загадочное явление. Научное объяснение такого поведения пока не определено. Группа ученых под руководством Мэтью Г. Баринга, профессора кафедры физики и астрономии Университета Райса в Техасе, выдвинула конкретную гипотезу. Замедление вращения может быть вызвано …

Телескоп “Горизонт событий” заглянул в сердце квазара

Телескоп "Горизонт событий" заглянул в сердце квазараТелескоп Горизонт Событий наблюдал за далеким квазаром NRAO 530 для изучения объекта и роли магнитных полей в его формировании. Благодаря глобальному сотрудничеству ученых телескоп Горизонт событий (EHT) заглянул в сердце квазара, чтобы изучить его внутренности. Квазары – это чрезвычайно мощные источники излучения, расположенные в центрах далеких галактик. Их центрами являются сверхмассивные черные дыры, которые направляют …

Отключения электроэнергии и ослепительное северное сияние: Солнце в полном разгаре с новой вспышкой X-класса

Отключения электроэнергии и ослепительное северное сияние: Солнце в полном разгаре с новой вспышкой X-классаСолнце продолжает свой цикл в направлении солнечного максимума в 2025 году, демонстрируя значительные пики активности и вызывая отключения электричества по всему миру, а также интенсивные северные сияния. Недавно, в субботу 11 февраля, на поверхности Солнца произошла вспышка X1.1, на следующий день после вспышки X1.0 в другой области Солнца. Затем последовала более умеренная активность. Но количество …

Телескоп НАСА NuSTAR обнаружил “скрытый свет” Солнца!

Телескоп НАСА NuSTAR обнаружил "скрытый свет" Солнца!Новое удивительное изображение Солнца, полученное благодаря космическому телескопу NuSTAR (в сочетании с SDO и XRT). Человеческие глаза не могут увидеть весь свет, излучаемый нашей ближайшей звездой. Новое изображение показывает некоторые из этих скрытых лучей, включая высокоэнергетические рентгеновские лучи, испускаемые самым горячим материалом в атмосфере Солнца, наблюдаемые с помощью ядерного спектроскопического телескопа НАСА (NuSTAR). Хотя телескоп …

Сгусток вещества отделился от Солнца и образовал необъяснимый вихрь на северном полюсе звезды

Сгусток вещества отделился от Солнца и образовал необъяснимый вихрь на северном полюсе звездыСолнце следует 11-летнему циклу, в течение которого его магнитные поля меняются и изменяют количество активности на его поверхности, влияя, в частности, на количество солнечных пятен. На прошлой неделе комок вещества оторвался от поверхности Солнца и начал кружить вокруг северного полюса звезды почти как гигантский полярный вихрь – и ученые пока не знают, почему. Солнце представляет …

Следы массивной звездной миграции обнаружены в галактике Андромеда

Следы массивной звездной миграции обнаружены в галактике АндромедаС помощью спектроскопического прибора для анализа темной энергии DESI исследователи обнаружили свидетельства крупного события миграции звезд в Галактике Андромеды. Такие события важны для реконструкции истории галактики и ее космических окрестностей, включая наш собственный Млечный Путь. В будущем с помощью того же прибора будет проанализировано больше периферийных звезд, чтобы выявить структуру галактической миграции Андромеды и разгадать …

ALMA показывает, как протозвезды влияют на формирование звезд

ALMA показывает, как протозвезды влияют на формирование звездС помощью радиотелескопа ALMA исследователи обнаружили, что быстрые потоки газа, исходящие от протозвезды, могут усиливать близлежащее звездообразование. Анализируемая область – молекулярное облако OMC-2 в созвездии Ориона, где был обнаружен гигантский молекулярный поток, исходящий от формирующихся звезд. Если это открытие подтвердится дальнейшими наблюдениями, то оно может подтвердить наиболее широко принятые на сегодняшний день теории о звездообразовании …

Космический аппарат “Джеймс Уэбб” наблюдал формирующуюся галактику

Космический аппарат "Джеймс Уэбб" наблюдал формирующуюся галактикуИспользуя программу наблюдений CEERS космического аппарата Джеймса Уэбба, исследователи обнаружили скопление галактик CGG-z5. Считается, что это скопление является прародителем массивной галактики, подобной Млечному Пути, наблюдаемой в то время, когда она еще только собирается из более мелких галактик. Открытие подтверждает текущее понимание формирования галактик, которое должно происходить иерархическим образом, и было сделано с помощью компьютерного моделирования. …

Хаббл напрямую измерил массу одинокого белого карлика

Хаббл напрямую измерил массу одинокого белого карликаИспользуя данные спутника ЕКА Gaia, исследователи с помощью “Хаббла” измерили массу одинокого белого карлика, находящегося на расстоянии 15 световых лет от нас. Для исследования использовалась техника гравитационного микролинзирования, которая использует оптический эффект, создаваемый гравитацией. Это первый случай, когда масса белого карлика была оценена напрямую, без косвенных выводов из бинарных систем. Используя “Хаббл”, астрономы впервые напрямую …

Впервые подтверждена система, способная производить килонову

Впервые подтверждена система, способная производить килоновуС помощью телескопа SMARTS была обнаружена звездная система, которая в будущем может породить мощный взрыв килоновой. Такие системы очень редки: по оценкам, во всем Млечном Пути существует не более дюжины, и это первая подтвержденная система. Исследование поможет понять редкие события, происходящие с килоновой, во время которых синтезируются самые тяжелые элементы во Вселенной, включая серебро и …

С помощью телескопа Ферми обнаружены гамма-затмения в системе “паук”

С помощью телескопа Ферми обнаружены гамма-затмения в системе "паук"С помощью космического телескопа Ферми были измерены гамма-затмения в семи различных “паучьих” системах. Паукообразные системы состоят из пульсара, который испускает очень энергичное излучение, одновременно поглощая меньшего бинарного компаньона. Одна из систем, обнаруженных с помощью “Ферми”, содержит сверхплотный пульсар с массой всего 1,8 солнечных масс. Некоторые конкретные звездные системы называются “паучьими”. Они содержат пульсар, сверхплотный и …

Самая далекая галактика, содержащая кислород, подтверждена с помощью ALMA

Самая далекая галактика, содержащая кислород, подтверждена с помощью ALMAБлагодаря наблюдениям радиоинтерферометра ALMA подтвердилась самая далекая галактика, содержащая кислород, ранее обнаруженная аппаратом “Джеймс Уэбб”. Свет от галактики пролетел около 97% возраста Вселенной и исходит всего через 367 миллионов лет после Большого взрыва. Открытие было обеспечено чувствительностью массива ALMA, который оснащен самыми современными приборами и позволил обнаружить в спектрах эмиссионную линию кислорода. Совместная команда из …

Исследователи взвесили Млечный Путь (он легче, чем ожидалось)

Исследователи взвесили Млечный Путь (он легче, чем ожидалось)Быстрые радиовсплески (FRB) продолжают интриговать ученых, но новые наблюдения этого странного явления могут помочь астрономам узнать больше о нашей собственной галактической окрестности. В новом исследовании ученые из Калифорнийского технологического института смогли измерить массу Млечного Пути с помощью одного из таких космических событий. Загадочные FRB Быстрые радиовсплески (FRB) являются одними из самых энергичных взрывов в космосе. …