Методы из физики частиц позволили рассчитать столкновения чёрных дыр с рекордной точностью

В журнале Nature опубликовано исследование, которое меняет подход к анализу данных гравитационных обсерваторий. Учёные из Берлина, Великобритании и других стран впервые рассчитали параметры столкновений чёрных дыр с точностью, ранее недостижимой для теоретических моделей. Это позволит точнее интерпретировать сигналы будущих детекторов, таких как космическая обсерватория LISA, чей запуск намечен на 2030-е годы.

В основе работы — методы, заимствованные из физики элементарных частиц. Исследователи представили взаимодействие чёрных дыр как серию «обменов» гравитационными импульсами, аналогичных столкновениям протонов в ускорителях. Это потребовало решения миллионов уравнений, которые удалось упростить до 40 ключевых формул. Вычисления заняли 300 000 часов на суперкомпьютерах Берлинского института Цузе — эквивалент 34 годам работы стандартного процессора.

Неожиданным результатом стало появление в расчётах структур, известных как многообразия Калаби-Яу — сложных геометрических форм, ранее изучавшихся лишь в теории струн. Эти «математические ландшафты», описывающие пространства с 6 и более измерениями, оказались ключом к точному определению энергии, выделяемой при столкновении чёрных дыр. «Они действуют как оптические линзы, фокусирующие расчёты», — пояснил Бенджамин Зауэр, соавтор исследования.

Полученные модели уже подтверждены данными обсерваторий LIGO и Virgo для систем, где чёрные дыры движутся на скоростях, близких к световым. Однако главная цель — подготовка к работе LISA, которая будет фиксировать низкочастотные сигналы, недоступные текущим детекторам. Точные шаблоны помогут выделить такие события из фонового шума.

Следующий этап — включение в модели систем с почти равными массами чёрных дыр, где влияние многообразий Калаби-Яу, по прогнозам, усилится. Это приблизит понимание того, как формируются и эволюционируют массивные объекты в галактиках.

 Источник: Nature