Συναντήσεις υψηλής ενέργειας με Black Hole

Μια προσέγγιση φυσικής σωματιδίων για την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων των μαύρων οπών ανοίγει νέους δρόμους για την κατανόηση των παρατηρήσεων των βαρυτικών κυμάτωνΣχήμα 1: Η σκέδαση της μαύρης τρύπας μπορεί να αντιμετωπιστεί ως αλληλεπίδραση τύπου σωματιδίων, στην οποία οι μαύρες τρύπες ανταλλάσσουν βαρύτητες. Υπολογίζοντας τα κβαντικά πλάτη σκέδασης, οι ερευνητές μπορούν να λάβουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη συγχώνευση δυαδικών μαύρων τρυπών που ... ΠερισσότεραΗ αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων ακούγεται σαν επιστημονική φαντασία: δύο τεράστιες μαύρες τρύπες στροβιλίζονται η μία προς την άλλη σε ένα σημαντικό κλάσμα της ταχύτητας του φωτός, εκπέμποντας μια έκρηξη ενέργειας που υπερβαίνει τον Ήλιο με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων. Εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, στη Γη, παρατηρούμε αυτούς τους κυματισμούς στη γεωμετρία του χωροχρόνου μέσω των μικροσκοπικών παραμορφώσεων που παράγουν σε βραχίονες βραχιόνων χιλιομετρικών παρεμβολών [ 1]. Ένα κρίσιμο συστατικό για την ερμηνεία αυτών των σημάτων κύματος βαρύτητας είναι η ακριβής θεωρητική πρόβλεψη για τις παρατηρούμενες κυματομορφές, που λαμβάνονται μέσω της διαβόητα δύσκολης αποστολής επίλυσης των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν. Η μελλοντική πρόοδος εξαρτάται από τη σημαντική βελτίωση αυτών των θεωρητικών υπολογισμών, καθώς οι τρέχουσες προβλέψεις ενδέχεται να μην είναι αρκετά ακριβείς για τους αναβαθμισμένους ανιχνευτές που θα συνδεθούν στο διαδίκτυο το 2022 [ 2]. Εμπνευσμένη από τη φυσική των σωματιδίων, όπου τα πάντα είναι εννοιολογικά μειωμένα σε διεργασίες διασποράς μεταξύ σωματιδίων σημείου, ορισμένοι θεωρητικοί έχουν αρχίσει να επιτίθενται στο πρόβλημα των δυαδικών μαύρων τρυπών μελετώντας ένα σχετικό πρόβλημα στο οποίο δύο μαύρες τρύπες πετούν το ένα κοντά στο άλλο και παραμορφώνονται (διασκορπίζονται) από τους βαρυτική αλληλεπίδραση. Σε αυτό το πλαίσιο, ο Thibault Damour από το Ινστιτούτο Προηγμένων Επιστημονικών Σπουδών (IHÉS) στη Γαλλία και συνεργάτες του έχουν προκαλέσει απρόβλεπτη πρόοδο στις θεωρητικές προβλέψεις κύματος βαρύτητας [ 3 - 5 ]. Η τελευταία δουλειά τους δείχνει ότι υπάρχει μια υπολογιστική συντόμευση για το γενικό πρόβλημα σκέδασης, λαμβάνοντας υπόψη ένα ειδικό όριο όπου η μαύρη τρύπα ζυγίζει πολύ λιγότερο από την άλλη. Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων - καθώς και η εξαγωγή πληροφοριών πηγής (όπως μάζα, περιστροφή και τοποθεσία) και ο έλεγχος της θεμελιώδους φυσικής - βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε ακριβή θεωρητικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται ως πρότυπα στην ανάλυση δεδομένων. Τόσο οι εξελιγμένες αριθμητικές προσομοιώσεις όσο και οι ανασταλτικοί αναλυτικοί υπολογισμοί είναι απαραίτητοι για αυτό το σκοπό και και οι δύο πρέπει να βελτιωθούν με ακρίβεια προκειμένου να αναλυθούν τα δεδομένα που θα προέλθουν από πρόσφατα βελτιωμένα παρατηρητήρια (LIGO, Virgo και KAGRA) και μελλοντικά όργανα (LISA, Cosmic Explorer , και το Τηλεσκόπιο του Αϊνστάιν) [ 2 ]. Στη θεωρία διαταραχών, οι εξισώσεις κίνησης γράφονται ως μια σειρά όρων που περιέχουν κάποια μικρή ποσότητα 𝜖 μεταφερθεί στις αυξανόμενες εξουσίες: πρώτη τάξη 𝜖, δεύτερη παραγγελία 𝜖2, τρίτη παραγγελία 𝜖3, κ.λπ. Το τοπίο των διαταραχών αναλυτικών μεθόδων μπορεί να χαρτογραφηθεί σύμφωνα με την ποσότητα που είναι μικρή: ένα αδύναμο βαρυτικό πεδίο (μετά την επέκταση του Minkowskian), ένα αδύναμο πεδίο και μαύρες τρύπες με αργή κίνηση (μετά την επέκταση του Νεύτωνα) ή μια μικρή αναλογία μάζας μεταξύ των μαύρων οπών (όπως στο πρόγραμμα βαρυτικής αυτο-δύναμης). Στο παρελθόν, η προσέγγιση μετά τον Μινκόφσκιν έλαβε τη λιγότερη προσοχή, καθώς είναι πιο χρήσιμη για τη διασπορά των μαύρων οπών - ένα γεγονός που κανονικά θα παρήγαγε πολύ μικρή βαρυτική ακτινοβολία για να παρατηρηθεί. Ωστόσο, οι θεωρητικοί συνειδητοποίησαν πρόσφατα ότι οι υπολογισμοί που έγιναν για τη διασπορά (μη δεσμευμένων) μαύρων οπών μπορούν να αποκαλύψουν σημαντικά στοιχεία, όπως το δυναμικό βαρύτητας, για συγχώνευση (δεσμευμένων) συστημάτων. Αυτή η σύνδεση έχει φέρει κοντά ερευνητές από τις κοινότητες κλασικής και κβαντικής βαρύτητας, Η βασική ιδέα σε αυτήν την προσέγγιση σκέδασης είναι να αντιμετωπίζονται οι μαύρες τρύπες ως κβαντικά σωματίδια που αλληλεπιδρούν μέσω της ανταλλαγής βαρυτονίων, με τον ίδιο τρόπο που τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν μέσω της ανταλλαγής φωτονίων (Εικ. 1 ). Συνδυάζοντας όλους τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους αλληλεπιδρούν τα σωματίδια, οι ερευνητές μπορούν να επιτύχουν εξαιρετικά ακριβείς προβλέψεις - όπως αποδεικνύεται από την πειραματική επιβεβαίωση έως και 12 ψηφίων της προβλεπόμενης ανώμαλης μαγνητικής διπόλης ροπής του ηλεκτρονίου [ 6]. Μια κρίσιμη κβαντική ιδέα είναι ότι τα πλάτη σκέδασης, που δίνουν την πιθανότητα για συγκεκριμένες διεργασίες σκέδασης, περιορίζονται έντονα από τις γενικές αρχές (συμμετρίες, τοποθεσία, διατήρηση της πιθανότητας). Αρκετές ομάδες εφαρμόζουν επί του παρόντος αυτές και άλλες ισχυρές τεχνικές από την κβαντική θεωρία πεδίου για να προσδιορίσουν τα πλάτη βαρυτικής σκέδασης μεταξύ «σωματιδίων μαύρης τρύπας». Τα πλάτη είναι κβαντικά παρατηρήσιμα, αλλά οι ερευνητές μπορούν να εξαγάγουν ένα κλασικό μέρος, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή προτύπων για την ανάλυση βαρυτικών κυμάτων [ 7 ]. Η Damour ανακάλυψε μια απλή αλλά εκτεταμένη σύνδεση μεταξύ διαφορετικών προσεγγιστικών προσεγγίσεων σε κλασικούς υπολογισμούς σκέδασης μαύρων τρυπών [ 3 ]. Έχει δείξει ότι η μαζική εξάρτηση της κλασικής συνάρτησης γωνίας σκέδασης είναι τέτοια ώστε η συνάρτηση να μπορεί να σταθεροποιηθεί πλήρως σε μια συγκεκριμένη σειρά κατά την μετά-Μινκοβσσιανή προσέγγιση από χαμηλότερες τάξεις στην προσέγγιση αυτο-δύναμης (μικρός-λόγος μάζας). Αυτό το εύρημα είναι ισχυρό αφού η τελευταία προσέγγιση χρησιμοποιεί πλήρως τις ακριβείς (μη γραμμικές) λύσεις μαύρης τρύπας στην κλασική βαρύτητα του Αϊνστάιν. Για παράδειγμα, σύμφωνα με τα ευρήματα του Νταμούρ, η τέταρτη σειρά στην προσέγγιση μετά τον Μινκοβσκόνια - μία σειρά πάνω από τον υπερσύγχρονο υπολογισμό κβαντικού πλάτους που επιτεύχθηκε από τη Zvi Bern και συνεργάτες [ 7] - θα μπορούσε να προσδιοριστεί μόνο από τους υπολογισμούς αυτοβίας πρώτης τάξης. Αυτή η συντόμευση θα μπορούσε να επιταχύνει τις προσπάθειες για την επίτευξη προβλέψεων υψηλότερης τάξης (πιο ακριβείς) στο μέλλον. Ήδη, ο Damour και οι συνάδελφοί του έχουν χρησιμοποιήσει υπολογισμούς αυτοβίας πρώτης τάξεως για να προσδιορίσουν μεγάλα τμήματα της συντηρητικής δυναμικής πέμπτης έως έκτης τάξης, που απαιτούνται για τον προσδιορισμό του δυναμικού βαρύτητας στα δεσμευμένα συστήματα [ 4 , 5 , 8 ]. Μερικοί από τους όρους σε αυτούς τους υπολογισμούς έχουν συζητηθεί έντονα και αποτέλεσαν αντικείμενο φιλικού στοιχήματος μεταξύ της Βέρνης και της Νταμούρ [ 9 ], την οποία δέχτηκε πρόσφατα ο Νταμούρ [ 5 ]. Ενώ η προώθηση των διαταραχών υψηλής τάξης είναι σίγουρα σημαντική, η Damour έχει επίσης προκαλέσει την κοινότητα θέτοντας ζητήματα σχετικά με τις θεμελιώδεις πτυχές της κβαντικής βαρυτικής έρευνας σκέδασης [ 3 ]. Έχει θέσει πολλές λεπτές ερωτήσεις: Έχει νόημα να αναγνωρίσουμε ένα κλασικό μέρος ενός πλάτους σκέδασης, το οποίο είναι συνήθως ένα πιθανό κβαντικό παρατηρούμενο χωρίς άμεσο κλασικό ανάλογο; Πόσο ακριβώς προσθέτει η ανταλλαγή βαρυτών σε μεγάλες κλασικές γωνίες εκτροπής; Πώς σχετίζεται η κλασική σκέδαση της μαύρης τρύπας στο όριο υψηλής ενέργειας με τα κβαντικά αποτελέσματα για τη διασπορά σωματιδίων χωρίς μάζα [ 10 , 11 ]; Η επίλυση αυτών των ζητημάτων θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να χαρτογραφήσουν μελλοντικούς δρόμους για να κάνουν πιο ακριβείς προβλέψεις. Η μελέτη της διασποράς των μαύρων τρυπών έχει γίνει μια πολλά υποσχόμενη ερευνητική κατεύθυνση, προσελκύοντας διαφορετικές ομάδες που εργάζονται σε ένα ευρύ φάσμα μεθοδολογιών. Οι πιο πρόσφατες προσπάθειες [ 3 - 5 , 7 , 8 , 12 ] καταδεικνύουν τις δυνατότητες αυτής της προσέγγισης για την επιστήμη των βαρυτικών κυμάτων: Οι ακριβέστερες προβλέψεις σε υψηλές τάξεις στη θεωρία διαταραχών έρχονται προσιτές και η περαιτέρω πρόοδος σε αυτόν τον τομέα μπορεί να βελτιώσει σημαντικά επιστημονική ικανότητα των μελλοντικών παρατηρητηρίων βαρυτικών κυμάτων. Επιπλέον, η αντιπαράθεση διαφορετικών κοινοτήτων και οι τρόποι σκέψης τους φέρουν απρόβλεπτες ευκαιρίες για θεωρητικές ανακαλύψεις, ακόμη και πέρα ​​από τα βαρυτικά κύματα. Ήρθε η ώρα να περάσει αυτός ο ορίζοντας. Η έρευνα δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review D .