Poszukiwania fal grawitacyjnych
Fale grawitacyjne to zniekształcenia czasoprzestrzeni wywoływane przez obiekty astronomiczne. Przypominają one fale powierzchniowe powstające po wrzuceniu kamyka do wody. Choć ogólna teoria względności Alberta Einsteina przewiduje istnienie tych niezwykłych fal, bardzo długo nie udawało się ich wykryć w sposób bezpośredni. Jednym ze sposobów na ich dostrzeżenie może być obserwowanie łączenia się czarnych dziur. Podczas łączenia się galaktyk musi dojść do spotkania się znajdujących się w ich centrum supermasywnych czarnych dziur. Najpierw podejmują one ze sobą swoisty taniec, po czym następuje rozpaczliwy uścisk, który kończy się zespoleniem. Ogólna teoria względności przewiduje, że tuż przed zakończeniem swego tańca czarne dziury emitują fale grawitacyjne. Naukowcy pracujący nad finansowanym przez UE projektem CBHEO (Connecting numerical simulations of black holes with experiment and observations) wygenerowali "wzorcowe" kształty fali, które powinny pokrywać się z takimi sygnałami astrofizycznymi. Zgodnie z oczekiwaniami, zaobserwowane kształty fali mają obejmować sygnały z dwóch czarnych dziur zbliżających się do siebie spiralnym ruchem, a także ich połączenia i następującą po nich oscylację rotujących czarnych dziur (tzw. ring-down). Wzorce wygenerowane przez zespół CBHEO przy użyciu numerycznej teorii względności i technik ponewtonowskich uwzględniają wszystkie te funkcje. Dokładniej mówiąc, przeprowadzono modelowanie zlewającej się części kształtu fali przy użyciu analitycznych obliczeń ponewtonowskich. Z drugiej strony potrzebne były rozwiązania numeryczne równań pola według ogólnej teorii względności do dokładnego modelowania końcowych orbit i połączenia czarnych dziur. Te przewidywane teoretycznie kształty fali dodano do danych przekształconych w prognozy krzywych czułości dla detektora Virgo i LIGO (Laserowego Obserwatorium Interferometrycznego Fal Grawitacyjnych). Otrzymane dane zostały przeanalizowane przez algorytmy wykrywania fal grawitacyjnych. Prace te przeprowadzono w ramach projektu Numerical Injection Analysis (NINJA), którego celem było zbadanie możliwości wykrycia fal grawitacyjnych emitowanych przez łączące się czarne dziury. Naukowcy uczestniczący w projekcie CBHEO rozbudowali także infrastrukturę numeryczną, tak by umożliwiała modelowanie zderzeń w czasoprzestrzeni w więcej niż czterech wymiarach. Równania Einsteina w wyższych wymiarach zastosowano do modelowania kolizji między partonami, będących efektem łączących się czarnych dziur. Motywacją do przeprowadzenia tego badania była możliwość formowania czarnych dziur w ramach eksperymentów zderzeń cząstek zgodnie z przewidywaniami nowych teorii grawitacji. Numeryczna teoria względności w czasoprzestrzeni o większej liczbie wymiarów jest skutecznym narzędziem, umożliwiającym uzyskiwanie informacji istotnych dla scenariuszy grawitacji, w których zderzenia cząstek mogą prowadzić do powstania czarnych dziur. Głównym efektem symulacji była ilość energii i pęd kątowy utracony w falach grawitacyjnych. Dzięki projektowi CBHEO naukowcy powinni móc zidentyfikować w danych pochodzących z obserwatoriów LIGO i Virgo dowody istnienia fal grawitacyjnych emitowanych przez czarne dziury zderzające się w nieodległych rejonach wszechświata. Informacje o galach grawitacyjnych mogą z kolei same w sobie stanowić ważne narzędzie, umożliwiające poznanie tajemnic czarnych dziur, które trudno jest obserwować w inny sposób.
