Crne rupe su regije u svemiru gdje je gravitacijska sila toliko jaka da iz njih ništa ne može pobjeći, čak ni svjetlost. Ove fascinantne regije bile su fokus brojnih studija, no neki od fizikalnih procesa koji stoje iza njihovog nastanka još uvijek nisu u potpunosti razumljivi.
Crne rupe nastaju procesom poznatim kao gravitacijski kolaps. To je u osnovi kontrakcija kozmološkog objekta, potaknuta vlastitom gravitacijom koja privlači materiju prema unutra (tj. prema centru gravitacije objekta).
Formiranje crne rupe iz takvog kolapsirajućeg objekta ovisi o specifičnim svojstvima tog objekta. U nekim slučajevima, objekt može biti vrlo blizu pragu odluke o formiranju crne rupe. Takav tip kolapsa rezultira tzv. kritičnim fenomenima.
Gravitacijski kolaps
Fizičari već desetljećima pokušavaju shvatiti kritične fenomene u gravitacijskom kolapsu, jer neka od njihovih svojstava dijele s drugim poznatim fizičkim sustavima. Nedavna studija objavljena u časopisu Physical Review Letters, koju je provela međunarodna istraživačka suradnja sa sjedištem na Bowdoin koledžu u Sjedinjenim Državama i drugim institutima u Njemačkoj, Pragu, Ujedinjenom Kraljevstvu i Portugalu, našla je suglasnost među tri neovisno provedene numeričke simulacije ovih fenomena i riješila neke dugotrajne zagonetke u ovom području studija.
“Kritični fenomeni u gravitacijskom kolapsu, blizu početka formiranja crne rupe, prvi su puta prijavljeni od strane Matta Choptuika prije otprilike 30 godina,” rekao je Thomas W. Baumgarte, koautor studije, za Phys.org.
“Djelomično zbog toga što ovi efekti dijele mnoga svojstva s kritičnim fenomenima u drugim područjima fizike (npr. fazni prijelazi u statističkoj fizici) i djelomično zbog toga što se bave fundamentalnim pitanjima vezanim za svojstva opće relativnosti, odmah su privukli pažnju mnogih istraživača iz različitih područja fizike.”
Fascinantna svojstva
Dva od najfascinantnijih svojstava kritičnog gravitacijskog kolapsa su univerzalnost i samosličnost. U ovom kontekstu, pojam univerzalnosti odnosi se na ideju da bez obzira kako počne izračun, kako se približava početak formiranja crne rupe, rješenje će uvijek biti isto. Samosličnost, s druge strane, znači da će ovo univerzalno rješenje ponavljati iste uzorke dok se fizička skala smanjuje.
“Dok su Choptuikovi izračuni uključivali tzv. skalarno polje kao izvor materije, Andrew Abrahams i Chuck Evans ubrzo nakon toga izvijestili su o sličnim efektima za gravitacijski kolaps gravitacijskih valova (tj. za čistu gravitaciju u odsutnosti bilo koje materije),” objasnio je Baumgarte.
“Jedna od razlika je da je Choptuik mogao pretpostaviti sfernu simetriju, dok gravitacijski valovi ne mogu postojati u sfernoj simetriji, tako da su Abrahams i Evans morali ukloniti pretpostavku sferne simetrije. Nažalost, bilo je vrlo teško reproducirati ove kasnije rezultate, jer su neki numerički kodovi potpuno zakazali u ovom slučaju, ili su pružali rezultate koji su se činili proturječnim onima od Abrahamsa i Evansa.”
Nakon naizgled proturječnih rezultata dobivenih 1990-ih, priroda kritičnog kolapsa “čiste gravitacije” ostala je neriješena misterija gotovo tri desetljeća. Nedavno, međutim, tri različite istraživačke skupine proveli su neovisne numeričke simulacije ovog kolapsa, koristeći nezavisno razvijene kodove.
“Sva tri koda rješavaju Einsteinove jednadžbe opće relativnosti, ali koriste potpuno različite numeričke strategije (npr. spektralne metode naspram metoda konačnih razlika),” rekao je Baumgarte. “Kartezijanske koordinate naspram sfernih polarnih koordinata, različiti uvjeti mjerenja, itd. Sva tri koda također čine različite izbore za tzv. ‘uvjet rezanja’ (tj. usvajaju različite izbore za brzinu kojom vrijeme napreduje u kodovima).”
Cilj nedavne studije
Ključni cilj nedavne studije Baumgarte i njegovih kolega bio je kolektivno ispitati tri numeričke simulacije koje su nedavno izveli tri različita istraživačka tima. Njihov rad je stoga bio zajednički napor timova, usmjeren na povezivanje njihovih neovisnih istraživačkih napora kako bi se rasvijetlila priroda gravitacijskog kolapsa.
“Kao prvo nalazimo izvješće da, unatoč svim numeričkim razlikama, naši kodovi proizvode potpuno konzistentne rezultate za kritični kolaps gravitacijskih valova,” rekao je Baumgarte. “To nam daje povjerenje da su ovi nalazi točni, a ne numerički artefakti. Pogodan izbor za uvjet rezanja pokazuje se ključnim: vrlo uobičajen drugi izbor, koji je bio uspješan za mnoge druge simulacije numeričke relativnosti, ne uspijeva u ovom slučaju, što objašnjava zašto su neki prethodni pokušaji rješavanja ovog problema propali.”
Značajno, u svoje tri neovisne numeričke simulacije, istraživači nisu pronašli dokaze koji podupiru svojstvo univerzalnosti. Drugim riječima, otkrili su da početak numeričke analize s različitim početnim podacima rezultira različitim vrijednostima prilikom približavanja formiranju crne rupe.
“Naši nalazi objašnjavaju još jedan dio slagalice,” rekao je Baumgarte. “Neka prethodna istraživanja izvijestila su o razlikama od rezultata Abrahamsa i Evansa, koji su stoga izgledali konfliktni, Međutim, ta istraživanja su također koristila različite početne podatke. Neslaganje rezultata stoga predstavlja kontradikciju samo pod pretpostavkom univerzalnosti – za koju ne vidimo nikakve dokaze.”
Korak dalje
Iako istraživači nisu pronašli dokaze o univerzalnosti, pronašli su približne dokaze o samosličnosti. Zanimljivo je, međutim, za razliku od onoga što je promatrano u slučaju kritičnog kolapsa u sfernoj simetriji, promatrana samosličnost se nije činila točnom.
Još u 1990-im godinama, Abrahams i Evans također su izvijestili o ne-točnoj samosličnosti. Stoga su ovi nedavni rezultati usklađeni s prethodnim nalazima, potencijalno sugerirajući da su zabilježena odstupanja od točne samosličnosti mogla biti povezana s odsutnošću sferne simetrije.
Nedavni rad Baumgarte i njegovih kolega mogao bi uskoro otvoriti put za nove numeričke i teorijske studije usmjerene na daljnje proučavanje i redefiniranje kritičnog kolapsa gravitacijskih valova. To bi moglo fizičare približiti razotkrivanju prirode i misterija ovog intrigantnog fizičkog fenomena, poznatog kao prethodnik formiranja crnih rupa.
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr
