Das Strecken und Verdrehen von Linien kann das Verziehen von Raum und Zeit visuell darstellen und ein Rätsel um verschmolzene Schwarze Löcher lösen.
Wenn schwarze Löcher ineinander schlagen, schwingen und wellenförmig die umgebenden Räume und Zeiten wie ein schwebendes Meer während eines Sturms. Diese Verzerrung von Raum und Zeit ist so kompliziert, dass die Physiker die Details dessen, was vor sich geht, bisher nicht verstehen konnten.
Kip Thorne vom California Institute of Technology (Caltech) sagte:
Wir haben Möglichkeiten gefunden, verzerrte Raumzeit wie nie zuvor zu visualisieren.
Durch die Kombination von Theorie mit Computersimulationen haben Thorne und seine Kollegen konzeptionelle Tools entwickelt, die sie als "Theory" bezeichnet haben Tendex-Linien und Wirbellinien.
Zwei donutförmige Wirbel, die von einem pulsierenden Schwarzen Loch ausgestoßen werden. In der Mitte sind außerdem zwei rote und zwei blaue Wirbellinien dargestellt, die an dem Loch befestigt sind und bei der nächsten Pulsation als dritter ringförmiger Wirbel ausgestoßen werden. Gutschrift: Die Caltech / Cornell SXS-Zusammenarbeit
Mit diesen Werkzeugen haben sie entdeckt, dass Kollisionen mit Schwarzen Löchern Wirbellinien erzeugen können, die ein ringförmiges Muster bilden und wie Rauchringe vom verschmolzenen Schwarzen Loch wegfliegen. Die Forscher fanden auch heraus, dass diese Bündel von Wirbellinien - genannt Wirbel- Kann wie Wasser von einem rotierenden Sprinkler aus dem Schwarzen Loch herauswinden.
Die Forscher erläutern Tendex- und Vortexlinien und ihre Auswirkungen auf Schwarze Löcher in einem Artikel, der am 11. April online im Journal veröffentlicht wurde Physische Überprüfungsschreiben.
Tendex- und Wirbellinien beschreiben die Gravitationskräfte, die durch verzerrte Raumzeit verursacht werden. Sie sind analog zu den elektrischen und magnetischen Feldlinien, die elektrische und magnetische Kräfte beschreiben.
Tendex-Linien beschreiben die Dehnungskraft, die Raum-Zeit-Verzerrungen auf alles ausübt, auf das sie treffen. David Nichols, der Caltech-Student, der den Begriff geprägt hat tendexerklärte:
Aus dem Mond ragende Tendex-Linien erhöhen die Gezeiten auf den Ozeanen der Erde.
Die Dehnungskraft dieser Linien würde einen Astronauten zerreißen, der in ein schwarzes Loch fällt. Wirbellinien beschreiben dagegen die Verdrehung des Raumes. Wenn der Körper einer Astronautin an einer Wirbelschnur ausgerichtet ist, wird sie wie ein nasses Handtuch ausgewrungen.
Wenn viele Tendex-Linien gebündelt werden, entsteht eine Region mit starker Dehnung, die als a bezeichnet wird tendex. In ähnlicher Weise erzeugt ein Bündel von Wirbellinien einen wirbelnden Raumbereich mit der Bezeichnung a Wirbel.
Dr. Robert Owen von der Cornell University, Hauptautor des Papers, sagte:
Alles, was in einen Wirbel fällt, wird herumgewirbelt.
Zwei spiralförmige Wirbel (gelb) des wirbelnden Raums ragen aus einem schwarzen Loch heraus und die Wirbellinien (rote Kurven), die die Wirbel bilden. Gutschrift: Die Caltech / Cornell SXS-Zusammenarbeit
Dr. Mark Scheel, ein leitender Forscher bei Caltech und Leiter der Simulationsarbeit des Teams, erklärte, wie Tendex- und Wirbellinien eine leistungsstarke neue Methode zum Verständnis von Schwarzen Löchern, Schwerkraft und der Natur des Universums darstellen:
Mit diesen Tools können wir die enorme Datenmenge, die in unseren Computersimulationen erzeugt wird, jetzt viel besser erfassen.
Mithilfe von Computersimulationen haben die Forscher herausgefunden, dass zwei sich drehende schwarze Löcher, die ineinander stoßen, mehrere Wirbel und mehrere Tendexe erzeugen. Wenn die Kollision frontal ist, wirft das zusammengeführte Loch Wirbel als ringförmige Bereiche des Wirbelraums aus und wirft Tendexe als ringförmige Bereiche der Dehnung aus. Wenn sich die schwarzen Löcher jedoch vor dem Verschmelzen zusammendrehen, drehen sich ihre Wirbel und Tendexe aus dem verschmolzenen Loch heraus. In beiden Fällen - Donut oder Spirale - werden die sich nach außen bewegenden Wirbel und Tendexe zu Gravitationswellen - die Arten von Wellen, die das Caltech-geführte Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO) erfassen möchte.
Yanbei Chen, außerordentlicher Professor für Physik an der Caltech und Leiter der theoretischen Bemühungen des Teams, fügte hinzu:
Mit diesen Tendexen und Wirbeln können wir möglicherweise die Wellenformen der Gravitationswellen, nach denen LIGO sucht, viel einfacher vorhersagen.
Zusätzlich haben Tendexe und Wirbel es den Forschern ermöglicht, das Rätsel hinter dem Gravitationsstoß eines verschmolzenen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie zu lösen. 2007 entdeckte ein Team an der Universität von Texas in Brownsville unter der Leitung von Professor Manuela Campanelli mithilfe von Computersimulationen, dass kollidierende Schwarze Löcher einen gerichteten Stoß von Gravitationswellen erzeugen können, der den Rückstoß des verschmolzenen Schwarzen Lochs verursacht - wie ein Gewehrschuss a Kugel. Der Rückstoß ist so stark, dass er das verschmolzene Loch aus seiner Galaxie werfen kann. Aber niemand hat verstanden, wie dieser gerichtete Stoß von Gravitationswellen erzeugt wird.
Jetzt hat das Team von Thorne mit seinen neuen Werkzeugen die Antwort gefunden. Auf einer Seite des Schwarzen Lochs addieren sich die Gravitationswellen der spiralförmigen Wirbel mit den Wellen der spiralförmigen Tendexe. Auf der anderen Seite heben sich die Wirbel- und Tendexwellen gegenseitig auf. Das Ergebnis ist ein Wellenstoß in eine Richtung, der den Rückstoß des zusammengeführten Lochs verursacht.
Dr. Geoffrey Lovelace, ein Mitglied des Teams von Cornell, sagte:
Obwohl wir diese Werkzeuge für Kollisionen mit Schwarzen Löchern entwickelt haben, können sie überall dort eingesetzt werden, wo die Raumzeit verzerrt ist. Ich gehe zum Beispiel davon aus, dass die Menschen Wirbel- und Tendexlinien auf die Kosmologie, auf schwarze Löcher, die Sterne zerreißen, und auf die Singularitäten anwenden, die in schwarzen Löchern leben. Sie werden während der gesamten allgemeinen Relativitätstheorie zu Standardwerkzeugen.
Das Team bereitet bereits mehrere Folgepapiere mit neuen Ergebnissen vor. Thorne, der Hunderte von Artikeln verfasst hat, sagte:
Ich habe noch nie eine Zeitung mitautorisiert, in der im Wesentlichen alles neu ist. Aber das ist hier der Fall.
Zusammenfassung: Kip Thorne vom California Institute of Technology (Caltech) und Kollegen haben Theorie und Computersimulation kombiniert, um den mysteriösen Gravitationsstoß eines verschmolzenen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie zu erklären. Diese Werkzeuge können überall dort eingesetzt werden, wo Raum-Zeit-Verzerrungen auftreten.