Ученые моделируют черную дыру в резервуаре для воды
Некоторые явления, которые происходят в черных дырах, но не могут быть непосредственно обнаружены в астрономических исследованиях, могут быть изучены с помощью лабораторного моделирования. Это возможно благодаря своеобразной аналогии между процессами, характерными для черных дыр, и гидродинамическими процессами. Общим знаменателем является сходство распространения волн в обоих случаях.
Эта возможность рассматривается в новой статье, опубликованной в Physical Review Letters . Физик Маурисио Ричарц, профессор Федерального университета ABC (UFABC) в Бразилии, является одним из авторов статьи, подготовленной группой Силке Вайнфурнтера в Школе математических наук Ноттингемского университета в Великобритании. Исследование было поддержано FAPESP в рамках Тематического проекта «Физика и геометрия пространства-времени», для которого Альберто Васкес Саа является основным исследователем.
«Хотя это исследование носит чисто теоретический характер, мы также провели экспериментальное моделирование в лаборатории Вайнфурнтера», — сказал Ричарц в интервью Agência FAPESP. «Устройство состоит в основном из большого резервуара для воды размером 3 на 1,5 метра. Вода вытекает через центральный слив и закачивается обратно, так что система достигает точки равновесия, в которой количество притока равно количество оттока. Таким образом, мы моделируем черную дыру «.
Он предоставил дополнительную информацию, чтобы объяснить, как это было сделано. «Поток воды ускоряется при приближении к стоку. Когда мы создаем волны на поверхности воды, мы получаем две важные скорости: скорость распространения волн и скорость общего потока воды», — сказал он.
«Вдали от стока скорость волны намного выше скорости жидкости, поэтому волны могут распространяться в любом направлении. Однако ситуация у стока отличается. Скорость жидкости намного выше скорости волны, поэтому волны затягиваются поток воды, даже когда они распространяются в противоположном направлении. Именно так черная дыра может быть смоделирована в лаборатории «.
В настоящей астрофизической черной дыре ее гравитационное притяжение захватывает вещество и препятствует выходу волн любого рода, в том числе световых. В гидродинамическом симулякре волны на поверхности жидкости не могут выходить из образующегося вихря.
В 1981 году канадский физик Уильям Унру обнаружил, что сходство между двумя процессами — черной дырой и гидродинамическим симулякром — было не просто аналогией. С некоторыми упрощениями, уравнения, которые описывают распространение волны в окрестности черной дыры, идентичны уравнениям, которые описывают распространение волны в воде, стекающей по стоку.
Это узаконивает использование гидродинамических процессов для исследования явлений, типичных для черных дыр . В новом исследовании Ричарц и его коллеги проанализировали процесс релаксации (кольцевого сжатия) в гидродинамическом симулякре неравновесной черной дыры, принимая во внимание ранее игнорируемые факторы. В некоторых отношениях изучаемое ими явление похоже на процесс ринга в реальной астрофизической черной дыре, которая генерирует гравитационные волны после создания в результате столкновения с двумя другими черными дырами.
«Тщательный анализ спектра кольцевого обнажения показывает свойства черной дыры, такие как ее момент импульса и масса. В более сложных гравитационных системах спектр может зависеть от большего количества параметров […]», пишут авторы в статье, опубликованной в Письма о физическом обзоре.
завихренность
Вихревость игнорируется простейшими моделями, но рассматривается в этом исследовании. Это ключевая концепция в механике жидкости, которая количественно определяет вращение определенных областей движущейся жидкости.
Если завихренность равна нулю, область просто сопровождает движение жидкости. Однако, если завихренность не равна нулю, она не только сопровождает поток, но и вращается вокруг своего собственного центра масс.
«В более простых моделях обычно предполагается, что завихренность жидкости равна нулю. Это хорошее приближение для областей жидкости, расположенных на расстоянии от вихря. Однако для областей вблизи стока это не так. такое хорошее приближение, потому что в этом случае завихренность становится все более важной. Поэтому одна из вещей, которые мы сделали в нашем исследовании, заключалась в включении завихренности », — сказал Ричарц.
Исследователи решили понять, как завихренность влияет на затухание волн во время распространения. Когда настоящая черная дыра нарушается, она генерирует гравитационные волны, которые колеблются с определенной частотой. Их амплитуда экспоненциально уменьшается со временем. Набор затухающих резонансов, который описывает, как возбужденная система возвращается в равновесие, технически характеризуется спектром квазинормальных мод колебаний.
«В нашем исследовании мы исследовали, как завихренность влияла на квазинормальные моды в гидродинамическом аналоге черной дыры. Наш основной вывод состоял в том, что некоторые колебания затухали очень медленно или, другими словами, оставались активными в течение длительного времени и были расположены пространственно в окрестности утечки. Эти колебания были уже не квазинормальными модами, а другим паттерном, известным как квази-связанные состояния », — сказал Ричарц.
Дальнейшее развитие исследований повлечет за собой экспериментальное получение этих квазисвязанных состояний в лаборатории.
