Strækning og vridning af linjer kan visuelt skildre vridningen af rum-tid og løse et mysterium omkring fusionerede sorte huller.
Når sorte huller smækker ind i hinanden, bølger det omkringliggende rum og tid og bølger som et svalende hav under en storm. Denne snevning af rum og tid er så kompliceret, at fysikere ikke har været i stand til at forstå detaljerne om, hvad der foregår - indtil nu.
Kip Thorne fra California Institute of Technology (Caltech) sagde:
Vi har fundet måder at visualisere skæve rum tid som aldrig før.
Ved at kombinere teori med computersimuleringer har Thorne og hans kolleger udviklet konceptuelle værktøjer, de har kaldt tendex linjer og hvirvel linjer.
To donutformede hvirvler, der skubbes ud af et pulserende sort hul. I midten vises også to røde og to blå hvirvel linjer fastgjort til hullet, som vil blive skubbet ud som en tredje donutformet hvirvel i den næste pulsering. Kredit: Caltech / Cornell SXS-samarbejdet
Ved hjælp af disse værktøjer har de opdaget, at sorte hulkollisioner kan producere hvirvellinjer, der danner et doughnutformet mønster, der flyver væk fra det fusionerede sorte hul som røgringe. Forskerne fandt også, at disse bundter af virvellinjer - kaldes hvirvelstrømme—Kan spiral ud af det sorte hul som vand fra en roterende sprinkler.
Forskerne forklarer tendex- og virvellinjer - og deres implikationer for sorte huller - i et papir, der blev offentliggjort online den 11. april i tidsskriftet Fysiske gennemgangsbrev.
Tendex- og virvellinjer beskriver tyngdekraften forårsaget af skæv plads-tid. De er analoge med de elektriske og magnetiske feltlinjer, der beskriver elektriske og magnetiske kræfter.
Tendex-linier beskriver den strækningskraft, som skæv plads-tid udøver på alt, hvad den møder. David Nichols, Caltech kandidatstuderende, der opfandt udtrykket tendex, forklaret:
Tendex-linjer, der stikker ud af månen, hæver tidevandene på jordens oceaner.
Strækningskraften på disse linjer ville rive en astronaut fra hinanden, der falder ned i et sort hul. Vortexlinjer beskriver på den anden side rumets vridning. Hvis en astronauts krop er på linje med en hvirvellinie, bliver hun vrået som et vådt håndklæde.
Når mange tendex-linjer er bundet sammen, skaber de en region med stærk strækning kaldet a tendex. Tilsvarende skaber et bundt virvellinjer et hvirvlende område i rummet kaldet a vortex.
Dr. Robert Owen fra Cornell University, hovedforfatter af papiret, sagde:
Alt, der falder i en virvel, bliver spundet rundt og omkring.
To spiralformede hvirvler (gule) af hvirvlende rum, der stikker ud af et sort hul, og hvirvellinier (røde kurver), der danner hvirvler. Kredit: Caltech / Cornell SXS-samarbejdet
Dr. Mark Scheel, en seniorforsker hos Caltech og leder af holdets simuleringsarbejde, forklarede, hvordan tendex- og virvellinjer giver en kraftfuld ny måde at forstå sorte huller, tyngdekraften og universets natur:
Ved hjælp af disse værktøjer kan vi nu gøre meget bedre fornemmelse af den enorme mængde data, der er produceret i vores computersimuleringer.
Ved hjælp af computersimuleringer har forskerne opdaget, at to spinde sorte huller, der går ned i hinanden, producerer flere hvirvler og flere tendexer. Hvis kollisionen er head-on, sprøjter det fusionerede hul hvirvler som donutformede områder af hvirvlende rum, og det udsætter tendexer som donutformede strækningsregioner. Men hvis de sorte huller spiral ind mod hinanden, før de fusioneres, spiraler deres hvirvler og tendexer ud af det fusionerede hul. I begge tilfælde - doughnut eller spiral - bliver de udadgående bevægelser og tendexes gravitationsbølger - de slags bølger, som det Caltech-ledede laserinterferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) søger at registrere.
Yanbei Chen, lektor i fysik ved Caltech og leder af holdets teoretiske indsats, tilføjede:
Med disse tendexes og hvirvler kan vi muligvis meget lettere forudsige bølgeformerne af tyngdekraften, som LIGO søger efter.
Derudover har tendexes og hvirvler gjort det muligt for forskerne at løse mysteriet bag gravitationssparket fra et sammenfletet sort hul i midten af en galakse. I 2007 brugte et team ved University of Texas i Brownsville, ledet af professor Manuela Campanelli, computersimuleringer for at opdage, at kolliderende sorte huller kan producere en rettet burst af tyngdekraftsbølger, der får det fusionerede sorte hul til at rekyler - som en rifle, der skyder en kugle. Rekylen er så stærk, at den kan smide det fusionerede hul ud af dens galakse. Men ingen forstod, hvordan dette dirigerede burst af gravitationsbølger produceres.
Nu, udstyret med deres nye værktøjer, har Thornes team fundet svaret. På den ene side af det sorte hul tilføjes gravitationsbølgerne fra de spiralformede hvirvler sammen med bølgerne fra de spiralende tendexer. På den anden side afbryder vortex- og tendex-bølgerne hinanden. Resultatet er et burst af bølger i en retning, der får det fusionerede hul til at trække sig tilbage.
Dr. Geoffrey Lovelace, et medlem af teamet fra Cornell, sagde:
Selvom vi har udviklet disse værktøjer til kollision i sort hul, kan de anvendes, uanset hvor rumtid er fordrejet. For eksempel forventer jeg, at folk vil anvende virvel- og tendex-linjer på kosmologien, på sorte huller, der ripper stjerner fra hinanden, og på de singulariteter, der lever inde i sorte huller. De bliver standardværktøjer gennem generel relativitet.
Holdet forbereder allerede flere opfølgningsdokumenter med nye resultater. Thorne, der har skrevet hundreder af artikler, sagde:
Jeg har aldrig før coauthored et papir, hvor stort set alt er nyt. Men det er tilfældet her.
Sammendrag: Kip Thorne fra Californien Institut for Teknologi (Caltech) og kolleger har kombineret teori med computersimulering for at forklare det mystiske tyngdekraft fra et fusioneret sort hul i midten af en galakse. Disse værktøjer kan anvendes, uanset hvor rum-tid er fordrejet.